[논문 리뷰] Privacy Amplification Against Active Quantum Adversaries

Gil Cohen, Thomas Vidick|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 22.

Cryptography and Data Security참고 문헌 26인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비밀 유지 증강 프로토콜이 활성 양자 공격자에 대해 안전하다는 것을 입증함으로써, 비밀 유지 증강 프로토콜의 첫 번째 보장을 제공한다. 이는 비밀 유지 증강 프로토콜의 핵심 구성 요소인 비가소성 추출기의 양자 보장 성질을 입증함으로써 달성된다. 논문은 양자 보장 비가소성 추출기를 도입하고, 최근 Chattopadhyay 등에 의한 구조의 변형이 이 성질을 만족함을 보여주며, 양자 측정 정보에 대한 정보 이론적 안전성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Privacy amplification is the task by which two cooperating parties transform a shared weak secret, about which an eavesdropper may have side information, into a uniformly random string uncorrelated from the eavesdropper. Privacy amplification against passive adversaries, where it is assumed that the communication is over a public but authenticated channel, can be achieved in the presence of classical as well as quantum side information by a single-message protocol based on strong extractors. In 2009 Dodis and Wichs devised a two-message protocol to achieve privacy amplification against active adversaries, where the public communication channel is no longer assumed to be authenticated, through the use of a strengthening of strong extractors called non-malleable extractors which they introduced. Dodis and Wichs only analyzed the case of classical side information. We consider the task of privacy amplification against active adversaries with quantum side information. Our main result is showing that the Dodis-Wichs protocol remains secure in this scenario provided its main building block, the non-malleable extractor, satisfies a notion of quantum-proof non-malleability which we introduce. We show that an adaptation of a recent construction of non-malleable extractors due to Chattopadhyay et al. is quantum proof, thereby providing the first protocol for privacy amplification that is secure against active quantum adversaries. Our protocol is quantitatively comparable to the near-optimal protocols known in the classical setting.

연구 동기 및 목표

• 암호 해독자가 양자 측정 정보를 가진 상태에서 활성 공격자에 대해 안전한 비밀 유지 증강 프로토콜의 부족을 메우기.
• 원래 고전적 측정 정보를 대상으로 설계된 Dodis-Wichs 두 메시지 프로토콜을 양자 환경으로 확장하기.
• 양자 공격자 모델에서 보안을 확보하기 위한 필수 구성 요소로서, 양자 보장 비가소성 추출기의 개념을 도입하고 체계화하기.
• 최근 Chattopadhyay 등이 제안한 비가소성 추출기의 구조가 양자 보장 비가소성 조건을 만족함을 입증함으로써, 이 설정에서 첫 번째로 안전한 프로토콜을 가능하게 하기.
• 근사 최적의 고전적 프로토콜과 비슷한 정량적 효율성을 확보하여 실용적 관련성을 확보하기.

제안 방법

• 비가소성 추출기의 핵심 구성 요소가 양자 보장 성질을 가져야 하므로, 활성 공격자에 대해 설계된 Dodis와 Wichs의 두 메시지 프로토콜을 양자 환경에 적응시키기.
• 공격자가 양자 측정 정보를 가진 상태에서도 안전해야 하는 양자 보장 비가소성 추출기의 개념을 도입하기.
• Chattopadhyay 등이 최근 제안한 비가소성 추출기의 구조가 양자 보장 비가소성 조건을 만족함을 증명하기.
• 양자 공격에 대한 비가소성 추출기의 보안을 활용하여 비밀 유지 증강 프로토콜의 전체 보안을 확립하기.
• 강력한 추출기와 그 비가소성 추출기로의 강화 성질을 활용하여, 활성 변조 및 양자 측정 정보에 대한 저항력을 확보하기.
• 정보 이론적 기법을 사용하여 프로토콜의 보안을 분석하고, 출력 문자열이 공격자의 양자 시스템과 균일하게 무작위이며 상관관계가 없음을 보여주기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Dodis-Wichs 두 메시지 비밀 유지 증강 프로토콜은 공격자가 양자 측정 정보를 가진 상태에서도 안전하게 유지될 수 있는가?
• RQ2 양자 공격자가 존재할 경우 보안을 확보하기 위해 비가소성 추출기가 추가로 만족해야 할 조건은 무엇인가?
• RQ3 최근에 제안된 비가소성 추출기의 구조 중, 새로 도입된 양자 보장 비가소성 조건을 만족하는 것이 알려져 있는가?
• RQ4 근사 최적의 고전적 프로토콜과 유사한 효율성을 갖는 양자 보장 프로토콜을 비밀 유지 증강을 위해 구성할 수 있는가?
• RQ5 활동적인 양자 환경에서 정보 이론적 보안을 확보할 수 있는 최소한의 공격자 능력은 무엇인가?

주요 결과

• 비가소성 추출기가 양자 보장 성질을 갖는 한, Dodis-Wichs 두 메시지 프로토콜은 활성 공격자에 대해 여전히 안전하다.
• 양자 보장 비가소성 추출기의 개념을 체계적으로 정의하고, 양자 공격자 모델에서의 보안을 확보하는 데 충분함을 입증하였다.
• Chattopadhyay 등이 제안한 비가소성 추출기의 구조를 변형한 것이 양자 보장 성질을 만족함을 증명하였으며, 이를 통해 구체적인 구현이 가능해졌다.
• 결과적으로 도출된 프로토콜은 활성 양자 공격자에 대해 정보 이론적 보안을 달성하였으며, 이는 이 설정에서 첫 번째로 안전한 프로토콜이다.
• 프로토콜의 효율성은 근사 최적의 고전적 프로토콜과 정량적으로 유사하여 강력한 실용 가능성임을 시사한다.
• 보안 증명은 정보 이론적 기법에 기반하며, 공격자가 공개 채널을 제어하고 양자 측정 정보를 가진 상태에서도 유효하다.