[논문 리뷰] Composable secure multi-client delegated quantum computation

Monireh Houshmand, Mahboobeh Houshmand외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 29.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다수의 제한된 양자 능력을 지닌 클라이언트가 상호 신뢰하지 못하는 상황에서, 서버와 서로 다른 개인 입력을 가지고 함께 글로벌 유니터리 연산을 수행할 수 있도록 보장하는 구성 가능하고 검증 가능하며 안전한 다중 클라이언트 위임 양자 계산 프로토콜을 제안한다. 이 프로토콜은 클라이언트들 간의 데이터와 회로를 서버 및 상대 클라이언트로부터 숨기며, 양자 통신이 필요 없도록 설계되었다. 이는 임의의 구성 가능한 단일 클라이언트 위임 양자 계산 프로토콜과 양자 인증 코드를 조합하여, 총 오차 한계가 $\epsilon^{\text{n-bv}} = (mn)\epsilon^{\text{bb}} + (n(n-1)(m-1) + 2n)\epsilon^{\text{q-sec}}$인 안전성을 달성한다.

ABSTRACT

The engineering challenges involved in building large scale quantum computers, and the associated infrastructure requirements, mean that when such devices become available it is likely that this will be in limited numbers and in limited geographic locations. It is likely that many users will need to rely on remote access to delegate their computation to the available hardware. In such a scenario, the privacy and reliability of the delegated computations are important concerns. On the other hand, the distributed nature of modern computations has led to a widespread class of applications in which a group of parties attempt to perform a joint task over their inputs, e.g., in cloud computing. In this paper, we study the multi-client delegated quantum computation problem where we consider the global computation be made up of local computations that are individually decided by the clients. Each client part is kept secret from the server and the other clients. We construct a composable secure multi-client delegated quantum computation scheme from any composable secure single-client delegated quantum computation protocol and quantum authentication codes.

연구 동기 및 목표

• 제한된 양자 능력을 지닌 상호 신뢰하지 못하는 다수의 클라이언트가 보편적인 양자 서버에 양자 계산을 안전하게 위임할 수 있도록 하는 문제를 해결하기 위해.
• 각 클라이언트의 입력과 로컬 계산이 서버 및 다른 클라이언트로부터 기밀 유지됨을 보장하기 위해.
• 보편적 구성 가능성(UC) 프레임워크 내에서 구성 가능한 보안을 달성하여, 더 큰 프로토콜의 서브루틴으로 사용될 경우에도 강건성을 보장하기 위해.
• 클라이언트들이 서버의 프로토콜 위반을 탐지할 수 있도록 검증 가능성을 확보하기 위해.
• 클라이언트 간의 양자 통신이 필요 없도록 최적화하여, 키 교환과 오류 신호 전달에만 고전적 인증 채널을 사용하기 위해.

제안 방법

• 임의의 구성 가능하고 검증 가능한 단일 클라이언트 위임 양자 계산(DQC) 프로토콜을 양자 인증 코드(QACs)와 조합하여 각 클라이언트의 입력과 회로를 보호한다.
• 각 클라이언트의 양자 입력은 QAC를 통해 양자 일회용 패드를 사용하여 인증된 후 서버에 전송되며, 이로 인해 기밀성이 보장된다.
• 프로토콜은 두 단계 실행 방식을 사용한다: 첫 번째로, 클라이언트 1이 자신의 입력에 대해 블라인드이고 검증 가능한 DQC 프로토콜을 실행한다. 두 번째로, 클라이언트 2는 인증된 출력을 자신의 DQC의 입력으로 사용하며, 각 단계에서 오류 탐지 기능을 수행한다.
• 검증 가능성은 기반 단일 클라이언트 DQC 프로토콜에서 트랩 기반 또는 안정자 테스팅 기법을 조합하여 달성되며, 이로 인해 정확성이 보장된다.
• 보안 증명은 보편적 구성 가능성(UC) 프레임워크를 사용하여, 실제 프로토콜이 이상 기능과 구분 불가능함을 보여주며, 부가적인 오차는 무시 가능하다.
• 최종 프로토콜은 클라이언트 간의 양자 통신을 제거하여 최적화되었으며, 키 교환과 오류 신호 전달에만 고전적 인증 채널을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서버 및 다른 클라이언트로부터 각 클라이언트의 입력과 로컬 유니터리 연산이 기밀 유지되는 다중 클라이언트 위임 양자 계산 프로토콜을 구성할 수 있는가?
• RQ2 이러한 프로토콜이 구성 가능한 보안을 달성할 수 있는가? 이는 더 큰 프로토콜의 서브루틴으로 사용될 경우 강건성을 보장한다.
• RQ3 클라이언트 간의 다중 클라이언트 환경에서도 검증 가능성이 유지될 수 있는가? 이는 서버의 부정행위를 클라이언트가 탐지할 수 있도록 한다.
• RQ4 클라이언트 간의 양자 통신이 필요 없도록 프로토콜를 최적화할 수 있는가? 이는 고전적 인증 채널에만 의존한다.
• RQ5 기반 구성 요소의 오차에 기반하여, 조합된 프로토콜의 총 오차 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 임의의 구성 가능하고 검증 가능한 단일 클라이언트 DQC 프로토콜과 양자 인증 코드를 조합하여 다중 클라이언트 위임 양자 계산에 대해 구성 가능한 보안을 달성한다.
• 프로토콜은 각 클라이언트의 입력과 로컬 계산이 서버 및 다른 클라이언트로부터 숨겨진 상태를 유지함을 보장한다. 이는 정직하지만 호기심 많은 동작 조건에서도 마찬가지다.
• 검증 가능성은 계산의 각 단계에서 오류 탐지 메커니즘을 통해 유지되며, 이상 징후가 감지되면 클라이언트가 프로토콜을 중단할 수 있다.
• n명의 클라이언트 프로토콜의 총 오차는 $\epsilon^{\text{n-bv}} = (mn)\epsilon^{\text{bb}} + (n(n-1)(m-1) + 2n)\epsilon^{\text{q-sec}}$로 제한되며, 여기서 $\epsilon^{\text{bb}}$는 블라인드 검증의 오차이고 $\epsilon^{\text{q-sec}}$는 양자 인증의 오차이다.
• 프로토콜은 클라이언트 간의 양자 통신을 제거하도록 최적화되어 있으며, 키 교환과 오류 신호 전달에만 고전적 인증 채널을 사용한다.
• 보안 증명은 임의의 수의 클라이언트와 임의의 로컬 유니터리에 대해 확장 가능하며, 오차는 클라이언트 수와 유니터리 수에 따라 선형적으로 증가한다.