[論文レビュー] Fully general device-independence for two-party cryptography and position verification

Jérémy Ribeiro, Gláucia Murta+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、ノイズのあるストレージ環境下における2者間暗号および位置認証の完全に一般化されたデバイス・インデペンデントなモデルを導入し、デバイスが任意の量子メモリ、状態、測定を行う場合でも、その安全性を保証する。著者らは、修正されたエントロピー蓄積定理を活用し、CHSHベルテストに基づくプロトコルが、CHSH不等式の任意の違反においても安全であることを示している。高い違反度は、必要なプロトコルラウンド数を減少させる。

ABSTRACT

Device-independent quantum cryptography allows security even if the devices used to execute the protocol are untrusted - whether this is due to unknown imperfections in the implementation, or because the adversary himself constructed them to subvert the security of the protocol. While device-independence has seen much attention in the domain of quantum key distribution, relatively little is known for general protocols. Here we introduce a new model for device-independence for two-party protocols and position verification in the noisy-storage model. For the first time, we show that such protocols are secure in the most general device-independent model in which the devices may have arbitrary memory, states and measurements. In our analysis, we make use of a slight modification of a beautiful new tool developed in [arXiv:1607.01796] called "Entropy Accumulation Theorem". What's more, the protocols we analyze use only simple preparations and measurements, and can be realized using any experimental setup able to perform a CHSH Bell test. Specifically, security can be attained for any violation of the CHSH inequality, where a higher violation merely leads to a reduction in the amount of rounds required to execute the protocol.

研究の動機と目的

• 信頼できない、または敵対的構成のデバイスが存在する状況下でも、安全に保たれる、2者間プロトコルおよび位置認証の一般化されたデバイス・インデペンデントなフレームワークを確立すること。
• 量子鍵配送を超えるデバイス・インデペンデント量子プロトコルにおける、安全性の保証の欠如を是正すること。
• CHSHベルテストを実行可能な任意の装置と互換性がある、基本的な量子操作（準備と測定）のみに依存する、実用的な実装を可能にすること。
• CHSH不等式の違反度がいかなるレベルであっても、安全性が達成可能であり、違反度が高くなるほど性能が向上することを示すこと。

提案手法

• arXiv:1607.01796 に記載された修正版エントロピー蓄積定理を採用し、デバイス動作における不確実性の蓄積を分析する。
• デバイスを任意の量子メモリ、状態、測定を持つものとしてモデル化することで、フレームワークの完全な一般性を確保する。
• エンタングルド状態の準備と測定に依存するプロトコルを設計し、CHSHベルテストの設定で動作させる。
• CHSH不等式の違反度をセキュリティパラメータとして用い、高い違反度はより強いセキュリティと必要なラウンド数の減少を意味する。
• 敵対者が量子メモリに制限がある可能性を考慮した、ノイズのあるストレージモデルにおける安全性の証明を定式化する。
• デバイス実装上の欠陥や敵対的設計があっても、プロトコルが安全であることを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デバイス動作に関する最も一般化された仮定のもとで、2者間プロトコルおよび位置認証におけるデバイス・インデペンデントな安全性が達成可能か？
• RQ2 デバイスが任意の量子メモリ、状態、測定を持つ場合、どのようにして安全性を保証できるか？
• RQ3 CHSHベルテストの違反度が、デバイス・インデペンデントプロトコルの効率性とセキュリティに果たす役割は何か？
• RQ4 状態準備と測定といった基本的な量子操作のみを用いて、実用的なプロトコルを構築可能か？
• RQ5 CHSH不等式の違反度は、プロトコル実行に必要なラウンド数にどのように影響するか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、デバイスが信頼できない、または悪意ある構成であっても、内部の量子操作に制限を設けずに、デバイス・インデペンデントな安全性を達成する。
• CHSH不等式の任意の違反においても安全性が保証され、広範な実験的実装においても強靭性を示す。
• CHSH不等式の高い違反度は、必要なプロトコルラウンド数の削減をもたらし、効率性が向上する。
• フレームワークは完全に一般化されており、未知または敵対的な実装を含む任意のデバイス動作を許容する。
• 修正されたエントロピー蓄積定理の使用により、最小限の仮定のもとで厳密な安全性分析が可能になる。
• プロトコルは、CHSHベルテストを実行可能な任意の装置と互換性がある、標準的な量子操作のみで実現可能である。