[논문 리뷰] Delegated Pseudo-Secret Random Qubit Generator.

Alexandru Cojocaru, Léo Colisson외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 23.

Cryptography and Data Security참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양자 통신이 필요 없이, 모든 당사자 중에서 오직 클라이언트만이 접근 가능한 고전적 설명을 가진 가짜 비밀 랜덤 큐비트 생성기(PSRQG)를 소개한다. QFactory라는 프로토콜은 LWE 문제를 활용하여 양자 안전성, 두 정규성, 충돌 저항성을 갖춘 트랩도어 일방함수를 구축함으로써, 순수하게 고전적 클라이언트 기반의 계산 안전성 보장된 검증 가능한 위임된 보편 양자 계산을 위한 첫 번째 솔루션을 제공한다.

ABSTRACT

We define the functionality of delegated pseudo-secret random qubit generator (PSRQG), where a classical client can instruct the preparation of a sequence of random qubits at some distant party. Their classical description is (computationally) unknown to any other party (including the distant party preparing them) but known to the client. We emphasize the unique feature that no quantum communication is required to implement PSRQG. This enables classical clients to perform a class of quantum communication protocols with only a public classical channel with a quantum server. A key such example is the delegated universal quantum computing. Using our functionality one could achieve for the first time a purely classical-client computational secure verifiable delegated universal quantum computing (also referred to as verifiable blind quantum computation). We give a concrete protocol (QFactory) implementing PSRQG, using the Learning-With-Errors problem to construct a trapdoor one-way function with certain desired properties (quantum-safe, two-regular, collision-resistant). We then prove the security in the Quantum-Honest-But-Curious setting and briefly discuss the extension to the malicious case.

연구 동기 및 목표

• 고전적 클라이언트가 양자 통신 채널 없이도 고전적 통신 채널만을 사용하여 양자 계산을 안전하게 위임할 수 있도록 하는 것.
• 위임된 양자 계산 프로토콜에서 양자 상태 설명의 기밀성을 유지하는 문제를 해결하는 것.
• 준비된 큐비트의 고전적 설명이 클라이언트 외의 모든 당사자에게 알려지지 않도록 보장하는 프로토콜을 설계하는 것.
• 클라이언트와 서버 간의 상호작용이 고전적일 뿐만 아니라 검증 가능하고 눈먼 양자 계산을 실현하는 것.
• LWE 문제를 기반으로 한 양자 안전 솔루션을 제공하여 안전한 위임을 실현하는 것.

제안 방법

• PSRQG 功能은 고전적 클라이언트가 원격 서버에게 고전적 설명이 모든 당사자에게 숨겨진 랜덤 큐비트를 준비하도록 지시할 수 있도록 정의된다.
• QFactory 프로토콜은 LWE 문제를 사용하여 양자 안전성, 두 정규성, 충돌 저항성을 갖춘 트랩도어 일방함수를 구축한다.
• 클라이언트는 트랩도어 함수를 사용하여, 모든 공격자에게 랜덤과 계산적으로 구분 불가능한 랜덤 큐비트의 고전적 설명을 생성한다.
• 서버는 트랩도어 메커니즘 덕분에 실제 값들을 알 수 없이 고전적 설명에 따라 큐비트를 준비한다.
• 보안은 서버가 프로토콜를 따르지만 정보를 유추하려는 시도를 할 수 있는 양자-신뢰성 있는 그러나 호기심 많은 설정에서 증명된다.
• 추가 암호 기법을 사용하여 악성 설정으로의 확장은 가능하지만, 이는 간략히 논의된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 클라이언트가 양자 통신 없이도 임의의 양자 상태의 준비를 안전하게 위임할 수 있는가?
• RQ2 양자 상태의 고전적 설명이 서버 및 기타 모든 당사자로부터 계산적으로 기밀로 유지될 수 있는가?
• RQ3 어떤 암호 기반 가정이 양자 안전성과 PSRQG에 필요한 기능적 성질을 보장할 수 있는가?
• RQ4 이러한 기능성이 고전적 채널만을 사용하여 검증 가능하고 눈먼 보편 양자 계산을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 악성 공격자로의 프로토콜 확장의 가능성과 보안 모델은 무엇인가?

주요 결과

• PSRQG 기능은 고전적 클라이언트가 양자 상태 준비를 양자 통신 없이도 고전적 채널만을 사용하여 위임할 수 있도록 한다.
• QFactory 프로토콜은 LWE 문제를 활용하여 양자 안전성, 두 정규성, 충돌 저항성을 갖춘 트랩도어 일방함수를 성공적으로 구현함으로써 PSRQG를 구현한다.
• 보안은 양자-신뢰성 있는 그러나 호기심 많은 설정에서 공식적으로 증명되어, 서버가 준비된 큐비트의 고전적 설명을 알 수 없음을 보장한다.
• 이 프로토콜은 순수하게 고전적 클라이언트 기반의 계산 안전성 보장된 검증 가능한 위임된 보편 양자 계산을 위한 첫 번째 솔루션이다.
• 이 구조는 악성 설정으로의 확장이 가능하지만, 그 모델에서의 완전한 보안 증명은 향후 연구 과제로 남아 있다.