[논문 리뷰] Smart contracts meet quantum cryptography

Andrea Coladangelo|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 14.

Blockchain Technology Applications and Security참고 문헌 23인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 고전적 스마트 계약과 양자 암호 기법을 처음으로 통합하여, 양자 번개(quantum lightning)를 활용해 탈중앙화되고 확장 가능한 지급 시스템을 구현한다. 고전적 블록체인을 분쟁 해결 및 상태 추적에 사용하고, 복제가 불가능한 양자 은행권을 사용함으로써, 신뢰할 필요 없이 빠른 거래와 손실된 가치 복구가 가능한 시스템을 구현한다. 이는 중앙 기관에 대한 신뢰 없이 계산적 가정 기반으로 보안을 확보한다.

ABSTRACT

We put forward the idea that classical blockchains and smart contracts are potentially useful primitives not only for classical cryptography, but for quantum cryptography as well. Abstractly, a smart contract is a functionality that allows parties to deposit funds, and release them upon fulfillment of algorithmically checkable conditions, and can thus be employed as a formal tool to enforce monetary incentives. In this work, we give the first example of the use of smart contracts in a quantum setting. We describe a simple hybrid classical-quantum payment system whose main ingredients are a classical blockchain capable of handling stateful smart contracts, and quantum lightning, a strengthening of public-key quantum money introduced by Zhandry [Eurocrypt 2019]. Our hybrid payment system uses quantum states as banknotes and a classical blockchain to settle disputes and to keep track of the valid serial numbers. It has several desirable properties: it is decentralized, requiring no trust in any single entity; payments are as quick as quantum communication, regardless of the total number of users; when a quantum banknote is damaged or lost, the rightful owner can recover the lost value.

연구 동기 및 목표

• 양자 암호 기반 원칙을 사용하여 블록체인 기반 지급 시스템의 확장성 문제를 해결한다.
• 중앙 은행에 의존하지 않고도 양자 화폐를 탈중앙화된 방식으로 관리할 수 있도록 한다.
• 양자 은행권이 분실되거나 손상된 경우 가치 복구를 위한 메커니즘을 제공한다.
• 스마트 계약을 양자 암호 프로토콜에서 인cent라이징을 강제화하는 도구로 공식화한다.
• 고전적 블록체인의 기능과 양자 화폐 기반 기법(예: 양자 번개)을 결합하는 가능성 탐색

제안 방법

• 상태 기반 스마트 계약을 갖춘 고전적 블록체인을 활용해 유효한 일련번호 목록을 공개 레지스터로 유지하고 분쟁을 해결한다.
• 같은 일련번호를 가진 두 장의 유효한 은행권을 생성할 수 없는 양자 화폐 기반 기법인 '양자 번개'를 핵심 암호 기반 원리로 사용한다.
• 사용자가 양자 상태(은행권)를 사용해 거래하고, 블록체인이 거래를 검증하고 정산하는 하이브리드 시스템을 설계한다.
• 블록체인에 의해 검증되는 도전-응답 메커니즘을 통해 소유권을 입증함으로써 분실되거나 손상된 은행권의 복구를 가능하게 한다.
• 블록체인과 스마트 계약의 기능을 이상적 기능으로 모델링하기 위해 보편적 구성 가능성(Universal Composability, UC) 프레임워크를 사용한다.
• 2차 다항식 해시 함수의 다중 충돌 저항성에 기반한 계산적 가정을 사용해 양자 번개 기반 기법을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 스마트 계약을 사용해 탈중앙화된 방식으로 양자 화폐를 안전하게 관리할 수 있는가?
• RQ2 블록체인 기반 시스템이 양자 은행권의 복제나 중복 지불을 방지하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 중앙 기관의 신뢰 없이 분실되거나 손상된 양자 은행권의 가치 복구를 위한 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 양자 번개와 스마트 계약의 조합이 보안을 유지하면서도 지급 거래의 확장성을 달성할 수 있는가?
• RQ5 이러한 하이브리드 시스템의 구성 가능성과 탈중앙화를 추론하기 위해 어떤 공식 보안 모델을 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 신뢰할 수 있는 중앙 은행이 필요 없이 블록체인과 양자 번개에 의존함으로써 탈중앙화를 달성한다.
• 거래 속도는 사용자 수에 관계없이 양자 통신 속도에 의해 결정되며, 지급 거래의 확장성 문제를 해결한다.
• 블록체인에 의해 검증되는 도전-응답 프로토콜을 통해 분실되거나 손상된 양자 은행권의 복구가 가능하여 가치 유지가 보장된다.
• 보안은 특정 2차 다항식 해시 함수의 다중 충돌 저항성에 기반한 계산적 가정에 의해 입증되며, 이는 양자 번개 설계의 기초가 된다.
• 양자 번개의 위조 방지 성질과 스마트 계약의 탈중앙화된 강제 실행 기능을 활용해 중복 지불과 위조를 방지한다.
• 고전적 스마트 계약과 양자 암호 도구를 통합하기 위한 공식적 프레임워크를 수립하여, 양자 암호 기법 분야의 새로운 연구 방향을 열어 놓는다.