[論文レビュー] Unconditionally Secure Qubit Commitment Scheme Using Quantum Maskers

Seok Hyung Lie, Hyukjoon Kwon+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、古典的ランダムネスを用いて強化された量子マスクャーを用いて、無条件に安全なキュービットコミットメント方式を提案する。これにより、ノーマスク理論を回避できる。信頼できる初期化者が最適なランダムネスを配布することで、任意次元のキュービットコミットメントにおいて無条件の安全性を達成し、ランダムネスが量子セキュリティプロトコルを強化する要因となることが示された。

ABSTRACT

A commitment scheme allows one to commit to hidden information while keeping its value recoverable when needed. Despite considerable efforts, an unconditionally and perfectly secure bit commitment has been proven impossible both classically and quantum-mechanically. The situation is similar when committing to qubits instead of classical bits as implied in the no-masking theorem [K. Modi et al., Phys. Rev. Lett. {\bf 120}, 230501 (2018)]. In this Letter, we find that circumvention of the no-masking theorem is possible with the aid of classical randomness. Based on this, we construct an unconditionally secure quit-commitment scheme that utilises any kind of universal quantum maskers with optimal randomness consumption, which is distributed by a trusted initializer. This shows that randomness, which is normally considered only to obscure the information, can benefit a quantum secure communication scheme. This result can be generalised to an arbitrary dimensional system.

研究の動機と目的

• 量子力学における無条件に安全なキュービットコミットメントの長年の不可能性を解決すること。
• ノーマスク理論が存在する中で、古典的ランダムネスが安全な量子コミットメントを可能にするかを検討すること。
• 普遍的量子マスクャーを用いて、実用的で無条件に安全なキュービットコミットメントプロトコルを構築すること。
• 無条件の安全性を維持しながらランダムネスの消費を最小限に抑えること。
• この方式を任意次元の量子系に一般化すること。

提案手法

• キュービット状態を元の情報を隠す形に変換するため、普遍的量子マスクャーを用いる。
• 信頼できる初期化者が提供する古典的ランダムネスを用いてマスクプロセスを可能にする。
• マスク操作が正しいランダムネスを保有するコミットメント参加者以外には逆転できないようにプロトコルを設計する。
• いかなるだまし戦略に対しても、ランダムネスの無条件に安全な配布によりセキュリティを保証する。
• 一般化された普遍的マスクャーを用いて、クイッド（d次元系）に対しても動作するように方式を適応する。
• ノーマスク理論が古典的ランダムネスがリソースとして利用可能である場合には適用されないという事実に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的ランダムネスを用いることで、量子系においてノーマスク理論を回避できるか？
• RQ2 量子マスクャーを用いて無条件に安全なキュービットコミットメント方式を構築できるか？
• RQ3 量子コミットメントプロトコルにおいて、ランダムネスをどのように最適に消費すればセキュリティを確保できるか？
• RQ4 この方式を任意次元の量子系に一般化できるか？
• RQ5 古典的ランダムネスは、情報の隠蔽にとどまらず、量子プロトコルにおいて能動的にセキュリティを強化するか？

主な発見

• 古典的ランダムネスを活用することで、ノーマスク理論の制約を回避し、キュービットコミットメントにおいて無条件の安全性を達成した。
• プロトコルは最適なランダムネス消費を実現しており、セキュリティに必要な最小限のランダムネスを超えて余分なランダムネスは不要である。
• 信頼できる初期化者が古典的ランダムネスを安全に配布することで、方式のセキュリティが確保される。
• 構成は任意次元の量子系（クイッド）へ一般化可能であり、適用範囲が拡張された。
• 古典的ランダムネスが情報の隠蔽にとどまらず、セキュリティの実現に能動的な役割を果たすことが示された。
• 量子マスクャーと古典的ランダムネスを組み合わせることで、無条件に安全なコミットメントが実現可能であることが示された。