[論文レビュー] Multiparty quantum key agreement protocol secure against collusion attacks

Zhiwei Sun, Xiaoqiang Sun+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 20被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、$ t < N $ 個の不正参加者による合同攻撃に耐性を持つ、新しいマルチパーティ量子鍵配布（MQKA）プロトコルを提案する。サークル型プロトコルフレームワークに基づき、複数ラウンドのエンタングルド状態配布とXORベースの鍵集約を用いた一般化されたメカニズムを導入することで、鍵反転段階の破壊による不正参加者の最終鍵予測を防ぎ、公平性を確保する。

ABSTRACT

The fairness of a secure multi-party quantum key agreement (MQKA) protocol requires that all involved parties are entirely peer entities and can equally influence the outcome of the protocol to establish a shared key wherein no one can decide the shared key alone. However, it is found that parts of the existing MQKA protocols are sensitive to collusion attacks, i.e., some of the dishonest participants can collaborate to predetermine the final key without being detected. In this paper, a multi-party QKA protocol resisting collusion attacks is proposed. Different from previous QKA protocol resisting $N-1$ coconspirators or resisting $1$ coconspirators, we investigate the general circle-type MQKA protocol which can be secure against $t$ dishonest participants' cooperation. Here, $t &lt; N$. We hope the results of the presented paper will be helpful for further research on fair MQKA protocols.

研究の動機と目的

• 既存のマルチパーティ量子鍵配布（MQKA）プロトコルにおける公平性の脆弱性を解消し、合同参加者が最終共有鍵を事前に決定できるのを防ぐ。
• 従来のMQKAプロトコルが1人または$ N-1 $人の参加者による合同攻撃にのみ耐性を持つという制限を克服し、任意の$ t < N $人の合同攻撃に対しても一般化された耐性を実現する。
• 任意の$ t $人の不正参加者によるグループが、最終鍵の結果を制御または予測できないように保証し、プロトコルのピアツーピア公平性を維持する。
• 一般の合同攻撃脅威に耐性を持つ公平なMQKAプロトコルを構築するためのスケーラブルで効率的なフレームワークを提供する。
• リウの二段階合同攻撃（鍵盗難と鍵反転）を形式的に分析し、これを無効化することでMQKAのセキュリティモデルを強化する。

提案手法

• 各参加者がエンタングルド量子ビット列を準備するサークル型MQKAアーキテクチャを採用：一方の部分を「ホーム量子ビット列」として保持し、他方を「移動量子ビット列」として送信する。
• 複数ラウンドの送信と符号化を実装：各参加者は自らのホーム量子ビットを測定し、戻ってくる移動量子ビット列にビット単位のXOR演算を用いて秘密鍵を符号化する。
• 盗聴検出のためのデコイ粒子を用い、盗聴検出にのみ古典通信を用いる（鍵復号には使用しない）ことで、効率性を向上させる。
• 鍵反転段階が鍵盗難段階後に不可能になるように保証することで、$ t $-共同者合同攻撃に耐性を持つ一般化されたプロトコル構造を導入する。
• サークル型ネットワークの$ N $参加者間でインデックスと鍵集約を管理するために、モジュロ算術（$ oxplus $, $ oxminus $）を適用する。
• 1ラウンドのサイクル終了後に、すべての参加者が分散測定と集約を経て、全個人鍵のXORとして最終鍵を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 任意の数$ t $の参加者による合同攻撃（$ t < N $）に対して安全であり、$ t=1 $ や $ t=N-1 $ のみに耐性を持つ既存のプロトコルとは異なり、一般化された耐性を有するマルチパーティ量子鍵配布プロトコルを構築可能か？
• RQ2 二段階の合同攻撃（鍵盗難と鍵反転）を通じて、参加者が最終共有鍵を予測または制御できないようにするには、どのようにプロトコルを設計すべきか？
• RQ3 鍵反転段階を無効化することで、合同攻撃の脅威を中和するため、サークル型MQKAプロトコルにどのような構造的変更を加える必要があるか？
• RQ4 本プロトコルは、いかに公平性を維持しつつ、単一の参加者やグループが鍵の結果を支配できないようにするか？
• RQ5 一般化されたプロトコルの量子ビット効率は何か？ また、同等のセキュリティ制約下で、既存プロトコルと比較してどのように変化するか？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、$ t < N $ 個の不正参加者による合同攻撃に対して安全であり、$ t $ は参加者総数未満の任意の数として取りうる。
• 鍵盗難段階が完了した後、鍵反転段階が実行不能になるように保証されることで、合同参加者が最終鍵を反転させることを防げる。
• $ t = 1 $ の場合、本プロトコルは標準的なサークル型MQKAに還元され、単一参加者攻撃に対して安全であることが知られている。
• $ t = N-1 $ の場合、量子ビット効率は$ rac{1}{( au + 1)N(N-1)} $ となり、リウらのプロトコルと一致し、一般化であることを確認する。
• 量子ビット効率は$ rac{1}{( au + 1)tN} $ で与えられ、$ au $ はデコイ粒子検出率を表す。$ t $ が増加するにつれて効率は低下するが、スケーラブルである。
• すべての誠実参加者が最終鍵に均等に貢献するように保証されることで、公平性が維持され、任意の$ t $人未満のグループが鍵の結果を事前に決定できない。