[論文レビュー] Smart contracts meet quantum cryptography

Andrea Coladangelo|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 23被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、量子稲妻（quantum lightning）を用いて、古典的スマートコントラクトと量子暗号を初めて統合し、分散型でスケーラブルな決済システムを実現する。古典的ブロックチェーンを紛争解決および状態追跡に用い、複製不能な量子バンクノートを組み合わせることで、信頼なしで高速な取引と価値の回復を実現し、中央機関への信頼を必要としない計算的仮定に基づくセキュリティを達成する。

ABSTRACT

We put forward the idea that classical blockchains and smart contracts are potentially useful primitives not only for classical cryptography, but for quantum cryptography as well. Abstractly, a smart contract is a functionality that allows parties to deposit funds, and release them upon fulfillment of algorithmically checkable conditions, and can thus be employed as a formal tool to enforce monetary incentives. In this work, we give the first example of the use of smart contracts in a quantum setting. We describe a simple hybrid classical-quantum payment system whose main ingredients are a classical blockchain capable of handling stateful smart contracts, and quantum lightning, a strengthening of public-key quantum money introduced by Zhandry [Eurocrypt 2019]. Our hybrid payment system uses quantum states as banknotes and a classical blockchain to settle disputes and to keep track of the valid serial numbers. It has several desirable properties: it is decentralized, requiring no trust in any single entity; payments are as quick as quantum communication, regardless of the total number of users; when a quantum banknote is damaged or lost, the rightful owner can recover the lost value.

研究の動機と目的

• 量子暗号基盤を用いたブロックチェーンベースの決済システムにおけるスケーラビリティ問題を解決すること。
• 中央銀行に依存しない信頼なしの分散型量子マネー管理を可能にすること。
• 量子バンクノートが紛失または損傷した場合の価値回復メカニズムを提供すること。
• スマートコントラクトを量子暗号プロトコルにおけるインセンティブの強制手段として形式的に定式化すること。
• 古典的ブロックチェーン機能と量子マネー方式（例：量子稲妻）を組み合わせる可能性を検討すること。

提案手法

• 状態を持つスマートコントラクトを備えた古典的ブロックチェーンを活用し、有効なシリアルナンバーの公開ログを維持し、紛争を解決する。
• 同一シリアルナンバーを持つ2つの有効なバンクノートを誰も生成できないという性質を持つ、量子マネー方式「量子稲妻」をコア暗号基盤として使用する。
• ユーザーが量子状態（バンクノート）を用いて取引を行い、ブロックチェーンが取引を検証・決済するハイブリッドシステムを設計する。
• スマートコントラクトを介したチャレンジ・レスポンスメカニズムを実装し、ハッシュのプレイメージを証明することで、紛失または損傷したバンクノートの回復を可能にする。
• ブロックチェーンおよびスマートコントラクト機能を理想機能として形式的にモデル化するためのユニバーサルコンポーザビリティ（UC）フレームワークを採用する。
• 次数2のハッシュ関数の多重衝突耐性に基づく計算的仮定を用いて、量子稲妻方式を具体化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的スマートコントラクトを用いて、分散型で安全に量子マネーを管理することは可能か？
• RQ2 ブロックチェーンベースのシステムは、どのようにして量子バンクノートの複製や二重支出を防げるか？
• RQ3 中央機関への信頼を必要とせずに、量子バンクノートが紛失または損傷した場合の価値回復を可能にするメカニズムは何か？
• RQ4 量子稲妻とスマートコントラクトの組み合わせは、セキュリティを維持したまま決済取引のスケーラビリティを達成できるか？
• RQ5 このようなハイブリッドシステムのコンポーザビリティと信頼なし性を議論するための形式的セキュリティモデルは何か？

主な発見

• 本システムは、信頼できる中央銀行を排除することで分散化を達成し、代わりにブロックチェーンと量子稲妻に依存する。
• 取引速度は量子通信速度に依存し、ユーザー数とは無関係であるため、決済取引におけるスケーラビリティ問題を解決する。
• ブロックチェーンが検証するチャレンジ・レスポンスプロトコルを通じて、紛失または損傷した量子バンクノートの回復が可能となり、価値の保持が保証される。
• セキュリティは、特定の次数2ハッシュ関数の多重衝突耐性という計算的仮定に基づいて証明されており、これは量子稲妻構成の根拠となる。
• 量子稲妻の偽造不能性とスマートコントラクトによる信頼なしの強制機能を活用することで、二重支出や偽造が防止される。
• 本研究は、古典的スマートコントラクトと量子暗号ツールを統合する形式的フレームワークを確立し、量子暗号分野における新たな研究方向性を開く。