[논문 리뷰] Quantum non-locality, causality and mistrustful cryptography

Muhammad Nadeem|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 25.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 47인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 양자 비국소성과 인과성을 활용하여 조건부로 안전한 신뢰하지 않는 암호화를 실현하는 상대성 양자 암호 프레임워크를 제안한다. 인과적으로 독립된 시스템 간의 얽힘 스위칭과 양자 텔레포테이션을 조합함으로써 결정론적이고 편향 없는 동전 띄우기, 조건부로 안전한 비트 기록, 그리고 숨겨진 데이터와 위치를 가진 새로운 형태의 오블리비어스 전송을 가능하게 하여 양자 암호 분야에서 오랫동안 남아있던 열린 문제들을 해결한다.

ABSTRACT

Here we propose a general relativistic quantum framework for cryptography that exploits the fascinating connection of quantum non-locality and special theory of relativity with cryptography. The underlying principle of unconditional security is causality and two-fold quantum non-local correlations: first entanglement swapping and then teleportation over causally independent entangled systems. We show that the proposed framework has following remarkable and novel features in mistrustful cryptography: (i) It helps in defining a new notion of oblivious transfer where both the data transferred and the transfer position remains oblivious. (ii) The authenticity and integrity of the data transferred is guaranteed by the fundamental principles of quantum theory instead of computational complexity. (iii) It directly leads to unconditionally secure and deterministic two-sided two-party computation which is currently considered to be impossible. (iv) the proposed framework turns out to be asynchronous ideal coin tossing with zero bias which has not been achieved previously. (v) The same framework also implies unconditionally secure bit commitment. Finally, the combination of quantum non-locality and theory of relativity as discussed here can easily be generalized to multiparty setting that could be used to solve other mistrustful cryptographic tasks such as secret sharing and key agreement securely.

연구 동기 및 목표

• 신뢰하지 않는 환경에서 조건부로 안전한 양자 양자 계산을 달성하는 데 오랫동안 남아있던 과제를 해결하기 위해.
• 양자 암호에서 결정론적이고 편향 없는 동전 띄우기의 불가능성을 해결하기 위해.
• 양측 모두가 데이터와 전송 위치를 알 수 없는 새로운 형태의 오블리비어스 전송을 개발하기 위해.
• 계산 복잡성 가정에 의존하지 않고 양자 기초 이론에 기반한 정보 이론적 보안을 제공하기 위해.
• 이 프레임워크를 비밀 공유 및 키 협약과 같은 다자 암호 작업으로 일반화하기 위해.

제안 방법

• 인과적으로 독립된 시스템 간의 얽힘 스위칭을 통한 양자 비국소성 활용.
• 스페이스타임적으로 분리된 위치 간에 양자 상태를 전송하기 위해 양자 텔레포테이션 활용.
• 신호 전파 속도가 빛보다 빠르지 않도록 보장하기 위해 상대성 인과성에 의존.
• 측정 사건이 상대적으로 인과적으로 분리되어 있어 양측 간의 영향력이 없도록 프로토콜 구성.
• 양자역학과 특수상대성 이론의 원리를 통합하여 기본 물리 법칙에 기반한 보안 강화.
• 이전 방법에서 흔히 발생하는 확률적 결과를 피하기 위해 결정론적이고 편향 없는 구조로 설계된 프로토콜

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 비국소성과 상대성을 조합하여 조건부로 안전한 양자 양자 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ2 양자 및 상대성 원리를 활용해 결정론적이고 편향이 없는 동전 띄우기 프로토콜을 구성할 수 있는가?
• RQ3 양측 모두가 데이터와 전송 위치를 알 수 없는 새로운 형태의 오블리비어스 전송을 정의할 수 있는가?
• RQ4 계산 복잡성 가정에 의존하지 않고 정보 이론적 보안을 보장할 수 있는가?
• RQ5 이 프레임워크를 비밀 공유 및 키 협약과 같은 다자 암호 작업으로 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 이 프레임워크는 이전에 불가능하다고 여겨졌던 조건부로 안전하고 결정론적인 이중 양자 계산을 실현한다.
• 양측 모두가 전송된 데이터와 전송 위치를 알 수 없는 새로운 형태의 오블리비어스 전송을 실현한다.
• 편향이 없는 이른바 이deal한 동전 띄우기 프로토콜을 비동기적으로 실현하며, 이는 이전에 양자 암호에서 달성되지 못한 결과이다.
• 전송된 데이터의 진위성과 무결성은 계산 복잡성에 기반한 것이 아니라 양자 이론 원칙에 의해 보장된다.
• 이 프레임워크는 자연스럽게 다자 환경으로 확장되어 안전한 비밀 공유 및 키 협약 프로토콜을 가능하게 한다.
• 비트 기록이 제안된 프레임워크 하에서 조건부로 안전하며, 오랫동안 남아있던 열린 문제를 해결한다.