[論文レビュー] The Quantum Cut-and-Choose Technique and Quantum Two-Party Computation

Elham Kashefi, Luka Music+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2017

Cryptography and Data Security参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、測定ベース量子計算における古典的制御と量子リソースの分離を活用して、量子の不正行動をとる相手に対しても安全な2者間量子計算を実現するための、量子計算カットアンドチョイス（QC-CC）技術を導入する。1方向のオフライン量子通信、サーバーのみが量子能力を必要とし、最小限の暗号的プリミティブで実現され、セキュリティ証明においてWatousおよびUnruhの量子リワインド技術を用いてシミュレーションが行われる。

ABSTRACT

The application and analysis of the Cut-and-Choose technique in protocols secure against quantum adversaries is not a straightforward transposition of the classical case, among other reasons due to the difficulty to use rewinding in the quantum realm. We introduce a Quantum Computation Cut-and-Choose (QC-CC) technique which is a generalisation of the classical Cut-and-Choose in order to build quantum protocols secure against quantum covert adversaries. Such adversaries can deviate arbitrarily provided that their deviation is not detected. As an application of the QC-CC we give a protocol for securely performing two-party quantum computation with classical input/output. As basis we use secure delegated quantum computing (Broadbent et al 2009), and in particular the garbled quantum computation of (Kashefi et al 2016) that is secure against only a weak specious adversaries, defined in (Dupuis et al 2010). A unique property of these protocols is the separation between classical and quantum communications and the asymmetry between client and server, which enables us to sidestep the quantum rewinding issues. This opens the prospect of using the QC-CC to other quantum protocols with this separation. In our proof of security we adapt and use (at different parts) two quantum rewinding techniques, namely Watrous' oblivious q-rewinding (Watrous 2009) and Unruh's special q-rewinding (Unruh 2012). Our protocol achieves the same functionality as in previous works (e.g. Dupuis et al 2012), however using the QC-CC technique on the protocol from (Kashefi et al 2016) leads to the following key improvements: (i) only one-way offline quantum communication is necessary , (ii) only one party (server) needs to have involved quantum technological abilities, (iii) only minimal extra cryptographic primitives are required, namely one oblivious transfer for each input bit and quantum-safe commitments.

研究の動機と目的

• 古典的カットアンドチョイス技術を量子プロトコルに適応させる課題に取り組むこと。標準的なリワインド手法は量子測定の崩壊のため機能しないため。
• 古典的入出力を持つ安全な2者間量子計算プロトコルを設計し、低検出確率で逸脱する可能性がある量子の不正行動をとる相手に対しても耐性を持つこと。
• 量子技術的要件を最小限に抑えること。1人の参加者（サーバー）のみが量子能力を必要とし、残りの参加者は古典的処理および1キュービットの準備に限定すること。
• 複雑な古典的暗号的プリミティブへの依存を減らすこと。入力ビットごとに1回のオーバーザーライド転送と量子安全なコミットメントのみを用いること。
• 単一のプロトコル内でWatousおよびUnruhの量子リワインド技術を用いて、セキュリティ証明のためのシミュレータを構築すること。

提案手法

• 測定ベース量子計算（例：ゲートトランスポート）における古典的制御と量子リソースの分離を活用し、委託型量子計算のためのクライアント・サーバーモデルを構築する。
• 量子ガーブルドサーキットプロトコルにおいて、チェック用グラフと評価用グラフをランダムに選択することでQC-CC技術を適用し、逸脱行動が高確率で検出されることを保証する。
• Watousのオーバーザーライド量子リワインドを用いて、コイントスフェーズにおける攻撃者の行動をシミュレートし、評価用グラフの選択をバイアスできるようにする。
• Unruhの特別な量子リワインドを、オーバーザーライド転送およびコミットメントフェーズのシミュレーションに用い、実世界と理想世界との区別がつかないことを実現する。
• フェイクグラフへのコミットメント、リワインドによるコイントスのバイアス、および鍵のデコミット後にのみ出力を復号するという方法で、実プロトコルをエミュレートするシミュレータを構築する。
• 量子安全なコミットメントと、入力ビットごとに1回のワンタイムオーバーザーライド転送に依存することで、量子攻撃下でもセキュリティを維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的カットアンドチョイス技術を量子環境に一般化することは可能か？ これにより、量子の不正行動をとる相手に対する2者間量子計算が保護されるか？
• RQ2 標準的な量子リワインドが適用できない量子環境において、セキュリティをどのように証明できるか？ どのような量子リワインド技術を適応できるか？
• RQ3 量子計算モデルをどれほど古典的制御と量子リソースに分解できるか？ これにより、量子ハードウェア要件をどれほど低減できるか？
• RQ4 1方向のオフライン量子通信と最小限の古典的暗号的プリミティブでのみ、2者間量子プロトコルを設計できるか？
• RQ5 1人の参加者にのみ量子能力を許可し、もう一方を古典的制限のままにした状態で、量子の不正行動をとる相手に対してセキュリティを達成できるか？

主な発見

• QC-CC技術は、古典的カットアンドチョイスを量子ドメインに一般化し、量子の不正行動をとる相手に対する安全な2者間量子計算を実現した。
• プロトコルは1方向のオフライン量子通信のみを要し、従来の双方向プロトコルと比較して、量子通信のオーバーヘッドを顕著に低減した。
• サーバーのみが量子能力を必要とし、クライアントは事前に1キュービットを準備するだけでよい。これにより、実用的な委託型モデルが可能になった。
• セキュリティは、入力ビットごとに1回のオーバーザーライド転送と量子安全なコミットメントのみで達成され、複雑な古典的プリミティブへの依存を最小限に抑えた。
• シミュレータの異なるフェーズでWatousおよびUnruhの両方の量子リワインド技術を用いており、単一プロトコル内で二重の量子リワインドを初めて実装した例の1つである。
• コイントスフェーズでは、リワインドごとに $rac{1}{s}$ の成功確率を達成し、期待されるリワインド回数は $ ilde{O}(ns)$ であり、シミュレーションにおける誤差は無視できるほど小さくなった。