[論文レビュー] Physical Randomness Extractors

Kai-Min Chung, Yaoyun Shi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2014

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、量子デバイスを用いて、物理法則に依存する単一の弱いソースから、証明可能な一様なランダムネスを生成する物理的ランダムネス抽出器を提案する。これは、検証不能な仮定に依存せず、近似的に最適な誤差、無限大のランダムネス拡張、および実装の不正確さに対しても安全な量子攻撃者に対して安全である。これは、合成セキュリティのための新規な等価性補題を活用することで達成される。

ABSTRACT

How to generate provably true randomness with minimal assumptions? This question is important not only for the efficiency and the security of information processing, but also for understanding how extremely unpredictable events are possible in Nature. All current solutions require special structures in the initial source of randomness, or a certain independence relation among two or more sources. Both types of assumptions are impossible to test and difficult to guarantee in practice. Here we show how this fundamental limit can be circumvented by extractors that base security on the validity of physical laws and extract randomness from untrusted quantum devices. In conjunction with the recent work of Miller and Shi (arXiv:1402:0489), our physical randomness extractor uses just a single and general weak source, produces an arbitrarily long and near-uniform output, with a close-to-optimal error, secure against all-powerful quantum adversaries, and tolerating a constant level of implementation imprecision. The source necessarily needs to be unpredictable to the devices, but otherwise can even be known to the adversary. Our central technical contribution, the Equivalence Lemma, provides a general principle for proving composition security of untrusted-device protocols. It implies that unbounded randomness expansion can be achieved simply by cross-feeding any two expansion protocols. In particular, such an unbounded expansion can be made robust, which is known for the first time. Another significant implication is, it enables the secure randomness generation and key distribution using public randomness, such as that broadcast by NIST's Randomness Beacon. Our protocol also provides a method for refuting local hidden variable theories under a weak assumption on the available randomness for choosing the measurement settings.

研究の動機と目的

• 従来のランダムネスソースが信頼できないか検証不能な状況において、最小限の仮定で真のランダムネスを生成する課題に対処すること。
• 独立または構造的でないランダムネスソースに依存することを排除すること。これは実際の状況で検証が難しい。
• ランダムネスソースに関する検証不能な仮定に依存せず、物理法則に基づいたセキュリティ保証を提供するプロトコルの開発。
• 信頼できない量子デバイスを用いて、単一の弱いソースから無限大のランダムネス拡張を可能にすること。
• NISTのランダムネスビーコンのような公開ランダムネスソースを用いた、安全なランダムネス生成および鍵配布を支援すること。

提案手法

• プロトコルは、独立性や構造性を必要としない一般化された弱いランダムネスソースを処理する物理的ランダムネス抽出器を用いる。
• 信頼できないデバイスプロトコルの合成セキュリティを証明するための新技術的原則「等価性補題」を活用し、信頼できないデバイスを用いた無限大のランダムネス拡張を可能にする。
• 2つのランダムネス拡張プロトコルを相互にフィードバックすることで、初期ソースに対する仮定を最小限に抑え、無限大の拡張を実現する。
• アドバーサリーが測定設定を知っている場合でも、ソースがデバイスに対して予測不能である限り、すべての力を持つ量子攻撃者に対してもセキュリティが保証される。
• 一定レベルの実装の不正確さに耐えうるため、実世界の環境でも頑健である。
• NISTのランダムネスビーコンのような公開ランダムネスソースを、安全な鍵配布およびランダムネス生成に活用可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 独立性や構造性を仮定せず、単一の弱いソースから真のランダムネスを生成することは可能か？
• RQ2 検証不能な仮定に依存せず、物理法則のみに依存して量子攻撃者に対してセキュリティを保証することは可能か？
• RQ3 信頼できない量子デバイスと単一の弱いソースを用いて、無限大のランダムネス拡張は可能か？
• RQ4 公開ランダムネスソースをランダムネス生成および鍵配布プロトコルに安全に統合することは可能か？
• RQ5 実装の不正確さに対して頑健に保たれつつも、セキュリティが維持されるプロトコルは作成可能か？

主な発見

• 提案された抽出器は、単一の弱いソースからでも、近似的に最適な誤差を伴いながら、任意に長い出力を一様に生成可能である。
• 等価性補題により、信頼できないデバイスプロトコルの合成セキュリティが実現され、2つの拡張プロトコルの相互フィードバックにより、無限大のランダムネス拡張が可能となる。
• 一定レベルの実装の不正確さに耐えうるという点で、実用的導入における顕著な前進を示している。
• NISTのランダムネスビーコンのような公開ランダムネスソースを用いて、安全なランダムネス生成および鍵配布が可能である。
• 測定設定選択に関する弱い仮定の下で、局所的隠れ変数理論を反証する手法を提供する。
• アドバーサリーが測定設定を知っている場合でも、ソースがデバイスに対して予測不能である限り、セキュリティが維持される。