[논문 리뷰] Relativistic quantum cryptography

Jędrzej Kaniewski|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 02.

Cryptography and Data Security참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 빛의 유한한 속도를 활용하여 보안을 보장하는 상대성 이론 기반 양자 및 고전적 비트 기록 프로토콜을 제안하며, 다중라운드 기반으로 고전 세계에서 임의의 길이의 기록이 가능함을 입증한다. 이는 고전적 공격자에 대해 보안을 입증하고, 이중라운드 및 다중라운드 프로토콜에 대한 실험적 검증을 제공하며, 131km 거리에서 2ms의 기록 시간과 반대점에서 이론적 상한 212ms를 포함한 높은 보안 파rameter를 확보한다.

ABSTRACT

In this thesis we explore the benefits of relativistic constraints for cryptography. We first revisit non-communicating models and its applications in the context of interactive proofs and cryptography. We propose bit commitment protocols whose security hinges on communication constraints and investigate its limitations. We explain how some non-communicating models can be justified by special relativity and study the limitations of such models. In particular, we present a framework for analysing security of multiround relativistic protocols. The second part of the thesis is dedicated to analysing specific protocols. We start by considering a recently proposed two-round quantum bit commitment protocol. We propose a fault-tolerant variant of the protocol, present a complete security analysis and report on an experimental implementation performed in collaboration with an experimental group at the University of Geneva. We also propose a new, multiround classical bit commitment protocol and prove its security against classical adversaries. This demonstrates that in the classical world an arbitrarily long commitment can be achieved even if the agents are restricted to occupy a finite region of space. Moreover, the protocol is easy to implement and we report on an experiment performed in collaboration with the Geneva group.

연구 동기 및 목표

• 상대성 이론의 핵심 원리인 빛의 유한한 속도를 활용하여 보안 암호 프로토콜을 설계할 수 있는지 탐색한다.
• 단일라운드 프로토콜의 한계를 극복하기 위해, 이동하는 에이전트를 분리하지 않고도 장기적인 기록 시간을 달성할 수 있는 고전적 프로토콜이 가능한지 조사한다.
• 현실적인 장치 조건 하에서도 작동하는 고장 내성의 양자 및 고전적 비트 기록 프로토콜을 개발하고 분석한다.
• 실제 하드웨어와 광학 링크를 사용하여 상대성 기반 비트 기록의 실현 가능성을 실험적으로 검증한다.
• 다중라운드 프로토콜이 고전적 및 양자 공격자에 대해 보안이 되는지 평가하고, 상대성 암호 이론 분야에서 열려 있는 문제를 규명한다.

제안 방법

• 특수상대성 이론에서 유도된 통신 제약 조건 하에서 다중라운드 상대성 프로토콜을 분석하기 위한 프레임워크를 체계화한다.
• 단일 광자 소스와 완벽한 탐지기를 사용한 이중라운드 양자 비트 기록 프로토콜을 설계한 후, 약한 공진동 소스와 노이즈 있는 탐지기를 사용한 고장 내성 버전으로 확장한다.
• 상대성 지연 윈도우 내에서 순차적 메시지 교환에 기반하여, 에이전트 간 거리를 늘리지 않고도 기록 시간을 늘릴 수 있는 새로운 다중라운드 고전적 비트 기록 프로토콜을 제안한다.
• 비국소 게임 이론을 적용하여 고전적 프로토콜에서의 사기 행위가 비국소 게임에서의 승리와 동일시될 수 있음을 보여주며, 양자 전략의 우월성을 드러낸다.
• GPS로 동기화된 FPGA와 고전적 데이터 교환을 사용하여 제네바 대학교와 베른 대학교 사이 131km의 광학 링크를 통해 두 프로토콜을 구현한다.
• 손실, 탐지기 비효율성, 다중광자 펄스를 고려한 보안 분석을 수행하여 사기 확률에 대한 구체적인 경계를 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 비트 기록 프로토콜이 유한한 공간 영역 내에서 에이전트를 유지하면서도 임의로 긴 기록 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다중라운드 상대성 프로토콜이 고전적 공격자에 대해 보안이 되는지, 그리고 이를 형식적으로 증명할 수 있는가?
• RQ3 양자 공격자가 고전적 상대성 기반 프로토콜을 사기할 때 어떤 이점이 있으며, 이러한 이점은 정량화할 수 있는가?
• RQ4 현실 장치의 비완전성 조건 하에서도 보안이 유지되는 고장 내성의 실험적으로 실행 가능한 상대성 기반 프로토콜을 구성할 수 있는가?
• RQ5 상대성 기반 옷다리 전송은 가능한가? 만약 가능하다면, 상대성 제약을 충족하는 방식으로 어떻게 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 다중라운드 고전적 비트 기록 프로토콜은 131km 거리에서 2ms의 기록 시간을 달성하였으며, 고전적 공격자에 대해 보안 파rameter는 약 $2.3 \times 10^{-10}$이다.
• 이중라운드 양자 비트 기록 프로토콜은 양자 공격자에 대해 보안 파rameter $\varepsilon \approx 10^{-77}$로 실험적으로 구현되어 높은 실용적 보안성을 입증하였다.
• 같은 설정을 지구의 반대편에 놓을 경우 기록 시간은 212ms로 연장되며, 이는 접근법의 확장 가능성을 보여준다.
• 유도된 보안 경계에 가까운 승리 확률을 갖는 명시적 사기 전략은 발견되지 않았으며, 이는 공격에 대한 강력한 저항성을 시사한다.
• 양자 공격자에 대한 다중라운드 프로토콜의 보안 분석는 아직 열려 있는 문제이지만, 더 약한 보장 조건 하에서도 보안이 유지될 것으로 추측된다.
• 이 연구는 통신 제약 조건이 있는 다수의 플레이어 게임의 새로운 클래스를 드러내었으며, 이는 아직 잘 이해되지 않은 분야이며 별도의 이론적 관심을 가질 수 있다.