[論文レビュー] Improving the Security of Quantum Protocols via Commit-and-Open

Ivan Damgaard, Serge Fehr+3 more|ArXiv.org|Feb 23, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用数 22

ひとこと要約

本論文は、『ほとんど正直な』攻撃者に対して安全なプロトコルを、任意の計算的に有界な量子攻撃者に対しても安全にするように変換する一般化コンパイラを導入する。この方法は、量子攻撃者に対して安全な抽出性を持つ計算的コミットメント方式を用い、有界量子ストレージモデル（BQSM）における安全性を保ちつつ、攻撃を解くには大容量の量子メモリと顕著な計算能力の両方が必要となる。

ABSTRACT

We consider two-party quantum protocols starting with a transmission of some random BB84 qubits followed by classical messages. We show a general "compiler" improving the security of such protocols: if the original protocol is secure against an "almost honest" adversary, then the compiled protocol is secure against an arbitrary computationally bounded (quantum) adversary. The compilation preserves the number of qubits sent and the number of rounds up to a constant factor. The compiler also preserves security in the bounded-quantum-storage model (BQSM), so if the original protocol was BQSM-secure, the compiled protocol can only be broken by an adversary who has large quantum memory and large computing power. This is in contrast to known BQSM-secure protocols, where security breaks down completely if the adversary has larger quantum memory than expected. We show how our technique can be applied to quantum identification and oblivious transfer protocols.

研究の動機と目的

• 送信された量子ビットを遅延して測定することで、意図されたアクセスを超えて過剰な情報を得る攻撃者による脆弱性を是正すること。
• 『ほとんど正直なボブ』に対して安全なプロトコルを、任意の計算的に有界な量子攻撃者に対しても安全にする一般化手法を開発すること。
• 不正なアリスに対する不変の安全性を維持しつつ、不正なボブに対する安全性を向上させ、キュービット数やラウンド数の著しい増加を避けながら実現すること。
• 攻撃者が想定された量子ストレージ容量を超えた場合でも、有界量子ストレージモデル（BQSM）における安全性を保つために、攻撃を解くには大容量の量子メモリと高い計算能力の両方が必要であることを保証すること。
• 計算的仮定とBQSMの安全性を組み合わせることで、古典的プロトコルのみでは達成できないハイブリッドセキュリティを実現し、量子プロトコルの実用的導入を可能にすること。

提案手法

• コンパイラは、『ほとんど正直なボブ』に対して安全な2者間量子プロトコルを、任意の計算的に有界な量子攻撃者に対しても安全なプロトコルに変換する。
• Regevの暗号方式にインspiredされた、量子攻撃者に対しても安全な抽出性を持つ古典的コミットメント方式に依存し、ボブの行動を束縛する。
• 共通参照文字列を用いることで、コミットメント方式の簡素化と効率性向上を図り、定数ラウンドのコンパイルを可能にする。
• キュービット数とラウンド数は定数倍の範囲で維持され、効率性と実用性が保たれる。
• [DFSS07]の技術を統合し、抽出可能マック（MAC）を用いた認証された古典通信により、中間者攻撃に対しても安全性を拡張する。
• プライバシーアップロケーションとエラー訂正符号を用いて、抽出された情報が一様かつ攻撃者の知識とは独立した状態を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 『ほとんど正直な』攻撃者から任意の計算的に有界な量子攻撃者へのセキュリティ強化を可能にする一般コンパイラを設計できるか？
• RQ2 攻撃者が想定された量子ストレージ容量を超えた場合に、有界量子ストレージモデル（BQSM）における安全性をどのように維持または強化できるか？
• RQ3 計算的仮定を用いて、大容量の量子メモリと高い計算能力の両方が必要となるハイブリッドセキュリティを実現できるか。その際、不正なアリスに対する不変の安全性を損なわないか？
• RQ4 量子認証やオブlivious transferなどの既存プロトコルに、このコンパイラを適用できる範囲はどの程度か。効率性とラウンド数の複雑さを維持できるか？
• RQ5 コミットメント方式と抽出可能MACを組み合わせることで中間者攻撃に対する保護を可能とし、鍵の再利用が可能になるか？

主な発見

• コンパイル済みプロトコルは、元のプロトコルが『ほとんど正直なボブ』に対してのみ安全であったとしても、任意の計算的に有界な量子攻撃者に対しても計算的安全性を達成する。
• 有界量子ストレージモデル（BQSM）における安全性が保持される：攻撃者が大容量の量子メモリと高い計算能力の両方を備えていなければ、プロトコルは安全のまま保たれる。
• 不正なアリスに対する不変の安全性が維持され、意図された範囲を超えた情報漏洩は一切ない。
• 送信キュービット数とラウンド数は定数倍の範囲で維持され、コンパイラの効率性と実用性が保たれる。
• 抽出可能MACの使用により、古典通信の認証において鍵の再利用が可能となり、中間者攻撃に対する長期的な安全性が実現される。
• 量子認証において、コンパイル済みプロトコルはなりすまし攻撃および中間者攻撃に対して安全であり、攻撃を解くには大容量の量子メモリと計算努力の両方が必要となる。