[논문 리뷰] Improving the Security of Quantum Protocols via Commit-and-Open

Ivan Damgaard, Serge Fehr외 3명|ArXiv.org|2009. 02. 23.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 3인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 두 당사자 양자 프로토콜—예를 들어 양자 신원 확인 및 온스티버스 전송—의 보안을 향상시키기 위해 '거의 정직한' 대상자에 대해 보안이 보장되는 프로토콜을 임의의 계산적으로 유한한 양자 대상자에 대해 보안이 보장되도록 변환하는 일반적 컴파일러를 소개한다. 이 방법은 양자 보안 추출 기능을 갖춘 계산적 커밋먼트 스킴을 사용하여, 유한한 양자 스토리지 모델(BQSM)에서의 보안을 유지하면서, 프로토콜을 해독하기 위해서는 큰 양자 메모리와 상당한 계산 능력이 모두 필요하도록 보장한다.

ABSTRACT

We consider two-party quantum protocols starting with a transmission of some random BB84 qubits followed by classical messages. We show a general "compiler" improving the security of such protocols: if the original protocol is secure against an "almost honest" adversary, then the compiled protocol is secure against an arbitrary computationally bounded (quantum) adversary. The compilation preserves the number of qubits sent and the number of rounds up to a constant factor. The compiler also preserves security in the bounded-quantum-storage model (BQSM), so if the original protocol was BQSM-secure, the compiled protocol can only be broken by an adversary who has large quantum memory and large computing power. This is in contrast to known BQSM-secure protocols, where security breaks down completely if the adversary has larger quantum memory than expected. We show how our technique can be applied to quantum identification and oblivious transfer protocols.

연구 동기 및 목표

• 전송된 큐비트를 지연 측정하는 대상자로 인한 양자 프로토콜의 취약성을 해결하기 위해.
• '거의 정직한' 보브(Bob)에 대해 보안이 보장되는 프로토콜을 임의의 계산적으로 유한한 양자 대상자에 대해 보안이 보장되는 일반적인 방법을 개발하기 위해.
• 불량한 앨리스에 대한 무조건적 보안을 유지하면서, 불량한 보브에 대한 보안을 향상시키되, 큐비트 수나 라운드 복잡도를 크게 증가시키지 않기 위해.
• 대상자가 가정된 양자 스토리지 한도를 초과하더라도, 유한한 양자 스토리지 모델(BQSM)에서 보안을 유지하기 위해, 프로토콜을 해독하기 위해서는 큰 양자 메모리와 높은 계산 능력이 모두 필요하도록 보장하기 위해.
• 계산 가정과 BQSM 보안을 조합하여 실용적인 양자 프로토콜의 구현을 가능하게 하며, 고전적 프로토콜만으로는 달성할 수 없는 하이브리드 보안을 제공하기 위해.

제안 방법

• 컴파일러는 '거의 정직한' 보브에 대해 보안이 보장되는 두 당사자 양자 프로토콜을, 임의의 계산적으로 유한한 양자 대상자에 대해 보안이 보장되는 프로토콜로 변환한다.
• 재게브(Regev)의 암호체계를 영감으로 삼은, 양자 보안 추출 기능을 갖춘 고전적 커밋먼트 스킴에 의존하여, 보브의 행동을 묶는다.
• 공통 참조 문자열을 사용하여 커밋먼트 스킴의 단순화와 효율성 향상을 도모하며, 일정한 라운드 컴파일링을 가능하게 한다.
• 큐비트 수와 라운드 수는 상수 배수 이내로 유지되어 효율성과 실용성을 유지한다.
• DFSS07에서 제안한 기법을 통합하여, 추출기 기반 MAC를 사용해 인증된 고전적 통신을 통해 중간자 공격에 대한 보안을 연장한다.
• 비밀 정보의 균일성과 적대자 지식과의 독립성을 확보하기 위해, 비밀 정보 축소와 오류 수정 코드를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적 컴파일러를 설계하여, '거의 정직한' 대상자에 대해 보장되는 양자 프로토콜의 보안을 임의의 계산적으로 유한한 양자 대상자에 대해 보장할 수 있는가?
• RQ2 대상자가 가정된 양자 스토리지 한도를 초과할 경우, 유한한 양자 스토리지 모델(BQSM)에서의 보안을 어떻게 유지하거나 강화할 수 있는가?
• RQ3 계산 가정을 사용하여, 큰 양자 메모리와 높은 계산 능력이 모두 필요하도록 하이브리드 보안을 달성할 수 있는가? 이 경우 불량한 앨리스에 대한 무조건적 보안은 손상되지 않는가?
• RQ4 큐비트 수와 라운드 복잡도를 유지하면서, 기존 프로토콜인 양자 신원 확인 및 온스티버스 전송에 이 컴파일러를 얼마나 넓게 적용할 수 있는가?
• RQ5 커밋먼트 스킴과 추출기 기반 MAC를 조합하여 중간자 공격에 대한 보안을 확보할 수 있으며, 이는 키 재사용을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 컴파일된 프로토콜은 원래 프로토콜이 '거의 정직한' 보브에 대해서만 보안을 보장하더라도, 임의의 계산적으로 유한한 양자 대상자에 대해 계산 보안을 달성한다.
• 유한한 양자 스토리지 모델(BQSM)에서의 보안이 유지된다: 프로토콜은 적대자가 큰 양자 메모리와 높은 계산 능력을 모두 갖추고 있을 경우에만 보안이 유지된다.
• 불량한 앨리스에 대한 무조건적 보안을 유지하여, 의도된 범위를 초월한 정보 유출이 발생하지 않는다.
• 전송된 큐비트 수와 라운드 수는 상수 배수 이내로 유지되어 컴파일러의 효율성과 실용성을 확보한다.
• 추출기 기반 MAC의 사용은 고전적 인증에서 키 재사용을 가능하게 하여, 중간자 공격에 대한 장기적 보안을 제공한다.
• 양자 신원 확인의 경우, 컴파일된 프로토콜은 위조 공격과 중간자 공격에 대해 보안이 있으며, 이를 해독하기 위해서는 큰 양자 메모리와 계산적 노력이 모두 필요하다.