[論文レビュー] Delegated Pseudo-Secret Random Qubit Generator.

Alexandru Cojocaru, Léo Colisson+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2018

Cryptography and Data Security参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、古典的クライアントが量子通信を一切用いずに、遠隔の量子サーバーにランダムな量子ビットを準備させることを可能にする、委譲型擬似秘密ランダム量子ビット生成装置（PSRQG）を紹介する。このPSRQGにより、クライアント以外のすべての当事者から、準備された量子ビットの古典的記述が計算的に隠蔽されたまま保たれる。プロトコルQFactoryは、学習誤差問題（LWE）を用いて、量子安全で、2正則かつ衝突耐性を持つトラップドア一方向関数を構築し、初めての完全に古典的クライアントによる、計算安全な検証可能で委譲可能な汎用量子計算を実現する。

ABSTRACT

We define the functionality of delegated pseudo-secret random qubit generator (PSRQG), where a classical client can instruct the preparation of a sequence of random qubits at some distant party. Their classical description is (computationally) unknown to any other party (including the distant party preparing them) but known to the client. We emphasize the unique feature that no quantum communication is required to implement PSRQG. This enables classical clients to perform a class of quantum communication protocols with only a public classical channel with a quantum server. A key such example is the delegated universal quantum computing. Using our functionality one could achieve for the first time a purely classical-client computational secure verifiable delegated universal quantum computing (also referred to as verifiable blind quantum computation). We give a concrete protocol (QFactory) implementing PSRQG, using the Learning-With-Errors problem to construct a trapdoor one-way function with certain desired properties (quantum-safe, two-regular, collision-resistant). We then prove the security in the Quantum-Honest-But-Curious setting and briefly discuss the extension to the malicious case.

研究の動機と目的

• 古典的クライアントが、量子通信チャネルを一切使用せずに、古典的通信チャネルのみで量子計算を安全に委譲できるようにすること。
• 委譲型量子プロトコルにおける量子状態記述の機密性を維持する課題に対処すること。
• 準備された量子ビットの古典的記述が、クライアント以外のすべての当事者（特に量子サーバー）からも未知のまま保たれるようにプロトコルを設計すること。
• クライアントとサーバー間の完全な古典的インタラクションのみで、検証可能で盲目的な量子計算を実現すること。
• 学習誤差問題（LWE）に基づく量子安全なソリューションを提供し、安全な委譲を実現すること。

提案手法

• PSRQG機能は、古典的クライアントが遠隔サーバーにランダムな量子ビットを準備させ、その古典的記述をクライアント以外のすべての当事者から計算的に隠蔽できるように定義される。
• プロトコルQFactoryは、学習誤差問題（LWE）を用いて、量子安全で、2正則かつ衝突耐性を持つトラップドア一方向関数を構築する。
• クライアントはトラップドア関数を用いて、攻撃者にとってランダムと計算的に区別不能な、ランダム量子ビットの古典的記述を生成する。
• サーバーは、トラップドアメカニズムのおかげで実際の値を学習できないまま、古典的記述に基づいて量子ビットを準備する。
• 安全性は、サーバーがプロトコルに従うが、情報を推測しようとする可能性がある「量子的誠実だが好奇心をもつ」設定で証明される。
• 追加の暗号技術を用いることで、悪意ある設定への拡張が可能であるが、これは短く議論されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的クライアントが、いかなる量子通信を用いずに、ランダムな量子状態の準備を安全に委譲できるか。
• RQ2 量子状態の古典的記述を、サーバーや他のすべての当事者から計算的に秘密に保つ方法は何か。
• RQ3 どのような暗号的仮定が、量子安全で、必要な機能的性質（2正則性、衝突耐性など）を満たす擬似秘密ランダム量子ビット生成装置に適しているか。
• RQ4 このような機能が、完全に古典的チャネルでのみ通信する条件下で、検証可能で盲目的な汎用量子計算を可能にするか。
• RQ5 悪意ある攻撃者への拡張の可能性と、そのセキュリティモデルは何か。

主な発見

• PSRQG機能により、古典的クライアントが、量子通信を一切使用せず、古典的チャネルのみに依存して量子状態の準備を委譲できる。
• QFactoryプロトコルは、学習誤差問題（LWE）を用いて、量子安全で、2正則かつ衝突耐性を持つトラップドア一方向関数を実装し、PSRQGを成功裏に実現した。
• 安全性は、量子的誠実だが好奇心をもつ設定で形式的に証明され、サーバーが準備された量子ビットの古典的記述を学習できないことが保証された。
• 本プロトコルは、初めての完全に古典的クライアントによる、計算安全で検証可能な委譲型汎用量子計算を実現した。
• 構成は、悪意ある設定への拡張が可能であるが、そのモデルにおける完全なセキュリティ証明は、今後の課題として残されている。