[논문 리뷰] Quantum Prudent Contracts with Applications to Bitcoin

Or Sattath|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 블록체인 기반의 비트코인 유사 시스템에서 금융 약속을 보장하기 위해 양자 상태를 활용하는 양자 신뢰 계약을 소개한다. 거래 출력을 양자 얽힘 상태에 바인딩하고, 양자 서명을 사용함으로써 자금은 오직 올바른 양자 상태가 제공될 경우에만 지출될 수 있도록 보장한다. 이는 고전적 공격자에 대해 증명 가능한 보안을 달성하며, 새로운 형태의 에스크로 및 원자 스왑을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Smart contracts are cryptographic protocols that are enforced without a judiciary. Smart contracts are used occasionally in Bitcoin and are prevalent in Ethereum. Public quantum money improves upon cash we use today, yet the current constructions do not enable smart contracts. In this work, we define and introduce quantum payment schemes, and show how to implement prudent contracts -- a non-trivial subset of the functionality that a network such as Ethereum provides. Examples discussed include: multi-signature wallets in which funds can be spent by any 2-out-of-3 owners; restricted accounts that can send funds only to designated destinations; and "colored coins" that can represent stocks that can be freely traded, and their owner would receive dividends. Our approach is not as universal as the one used in Ethereum since we do not reach a consensus regarding the state of a ledger. We call our proposal prudent contracts to reflect this. The main building block is either quantum tokens for digital signatures (Ben-David and Sattath QCrypt'17, Coladangelo et al. Crypto'21), semi-quantum tokens for digital signatures (Shmueli'22) or one-shot signatures (Amos et al. STOC'20). The solution has all the benefits of public quantum money: no mining is necessary, and the security model is standard (e.g., it is not susceptible to 51\% attacks, as in Bitcoin). Our one-shot signature construction can be used to upgrade the Bitcoin network to a quantum payment scheme. Notable advantages of this approach are: transactions are locally verifiable and without latency, the throughput is unbounded, and most importantly, it would remove the need for Bitcoin mining. Our approach requires a universal large-scale quantum computer and long-term quantum memory; hence we do not expect it to be implementable in the next few years.

연구 동기 및 목표

• 비트코인과 유사한 시스템에서 금융 약속을 양자 상태에 바인딩하는 암호 프레임워크를 설계하여, 자금은 오직 올바른 양자 상태가 제공될 경우에만 접근 가능하도록 보장한다.
• 상태 복제 금지 및 측정 붕괴와 같은 양자 성질을 활용하여 고전적 공격자가 거래 출력을 위조하거나 조작할 수 없도록 한다.
• 양자 상태를 암호 기초 자료로 사용하여 안전하고 검증 가능한 에스크로 및 원자 스왑 프로토콜을 구현한다.
• 금융 결과가 양자 상태의 존재성과 정확성에 의존하는 새로운 종류의 스마트 계약—양자 신뢰 계약—을 체계화한다.
• 양자 상태가 탈중앙화된 시스템에서 '지식 증명'의 형태로 사용될 수 있음을 보여주며, 고전 암호 기법을 초월한 신뢰와 보안을 향상시킨다.

제안 방법

• 프로토콜은 계정과 연결된 양자 상태 |€⟩ 를 사용하여 거래 출력을 바인딩하여, 오직 올바른 양자 상태를 소지한 자가 지출을 승인할 수 있도록 보장한다.
• 랜덤 값 x 에서의 고전적 해시 h(x) 를 계산하고, 출력 m 은 b_€ 개의 계정과 해시 y=h(x) 를 포함하는 SimpleOutputScript 로 구성되어, 약속을 형성한다.
• 양자 상태 |€⟩ 와 메시지 m 에 대해 비가공성 서명 체계(US)를 사용하여 양자 서명 σ 를 생성함으로써 서명을 양자 상태에 바인딩한다.
• 프로토콜의 각 증거 pwit_i^€ 는 계정, 메시지, 서명, 인덱스 i, 사용되지 않은 필드의 null 값, 그리고 양자 증거를 포함하여, 양자 상태의 유효성을 검증할 수 있도록 한다.
• 잔액 검사를 수행한다: 계정의 잔액이 예상 출력 수 b_€ 와 일치하지 않으면 거래가 중단되어 일관성이 보장된다.
• 밥의 계정에서 앨리스의 계정으로 자금을 이체하기 위해 안전한 지급 함수(SimplePay) 를 사용하며, 양방향 통화에 대한 증거를 포함하고, 최종 거래를 완료하기 전에 잔액을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 상태는 비트코인 유사 시스템에서 금융 약속을 보장하기 위한 암호 기초 자료로 사용될 수 있는가?
• RQ2 양자 서명은 고전적 블록체인 거래 논리와 어떻게 통합되어야 하며, 오직 양자 상태의 정당한 소지자만 자금을 지출할 수 있도록 보장할 수 있는가?
• RQ3 고전적 공격자가 무제한의 계산 능력을 가진다 해도 거래 출력을 위조하거나 조작할 수 없도록 보장하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 양자 신뢰 계약은 신뢰할 수 있는 제3자에 의존하지 않고도 안전한 원자 스왑 또는 에스크로 시스템을 구현하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 블록체인 프로토콜이 거래 출력을 양자 상태에 안전하게 바인딩하면서도 검증 가능성과 일관성을 유지하기 위한 최소 요구 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 프로토콜은 고전적 약속과 양자 서명의 조합을 통해 거래 출력을 양자 상태에 바인딩하여, 오직 올바른 양자 상태를 소지한 자만이 지출을 승인할 수 있도록 보장한다.
• 양자 서명의 사용으로 고전적 위조 공격를 방지할 수 있으며, 이는 비가공성 서명 체계의 보안성과 양자 상태의 복제 금지 정리에 기반한다.
• 잔액 검사를 통해 일관성이 보장된다: 출력 수가 예상 값과 일치하지 않으면 거래가 중단되어 일관성 오류를 방지한다.
• 유효한 양자 상태의 존재를 자금 해제 조건으로 요구함으로써, 안전하고 검증 가능한 에스크로 및 원자 스왑 프로토콜을 실현할 수 있다.
• 프로토콜은 양자 상태가 탈중앙화된 시스템에서 '지식 증명'의 형태로 사용될 수 있음을 보여주며, 고전 암호 기법을 초월한 보안성을 향상시킨다.
• 프레임워크는 형식적으로 정의되었고 기호 모델에서 실행 가능하며, 양자 암호 기법의 표준 가정 하에 보안 목표를 달성함을 보여준다.