[논문 리뷰] The Quantum Cut-and-Choose Technique and Quantum Two-Party Computation

Elham Kashefi, Luka Music외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 10.

Cryptography and Data Security참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 측정 기반 양자 계산에서의 고전적 제어와 양자 자원의 분리 원리를 활용하여, 양자 도용 공격자에 대비한 안전한 양자 양자 계산을 가능하게 하는 양자 계산 컷-앤드-체즈(QC-CC) 기법을 제안한다. 이 기법은 한 방향의 오프라인 양자 통신, 서버만이 양자 능력을 갖는 것으로, 최소한의 암호 primitive를 사용하며, 보안 증명에서 Watous 및 Unruh의 양자 재실행 기법을 활용하여 시뮬레이션을 구현한다.

ABSTRACT

The application and analysis of the Cut-and-Choose technique in protocols secure against quantum adversaries is not a straightforward transposition of the classical case, among other reasons due to the difficulty to use rewinding in the quantum realm. We introduce a Quantum Computation Cut-and-Choose (QC-CC) technique which is a generalisation of the classical Cut-and-Choose in order to build quantum protocols secure against quantum covert adversaries. Such adversaries can deviate arbitrarily provided that their deviation is not detected. As an application of the QC-CC we give a protocol for securely performing two-party quantum computation with classical input/output. As basis we use secure delegated quantum computing (Broadbent et al 2009), and in particular the garbled quantum computation of (Kashefi et al 2016) that is secure against only a weak specious adversaries, defined in (Dupuis et al 2010). A unique property of these protocols is the separation between classical and quantum communications and the asymmetry between client and server, which enables us to sidestep the quantum rewinding issues. This opens the prospect of using the QC-CC to other quantum protocols with this separation. In our proof of security we adapt and use (at different parts) two quantum rewinding techniques, namely Watrous' oblivious q-rewinding (Watrous 2009) and Unruh's special q-rewinding (Unruh 2012). Our protocol achieves the same functionality as in previous works (e.g. Dupuis et al 2012), however using the QC-CC technique on the protocol from (Kashefi et al 2016) leads to the following key improvements: (i) only one-way offline quantum communication is necessary , (ii) only one party (server) needs to have involved quantum technological abilities, (iii) only minimal extra cryptographic primitives are required, namely one oblivious transfer for each input bit and quantum-safe commitments.

연구 동기 및 목표

• 표준 재실행 기법이 양자 측정 붕괴로 인해 실패하는 양자 프로토콜에서 고전적 컷-앤드-체즈 기법을 양자 환경에 적응시키는 데 도전하는 것.
• 저감 확률이 낮은 양자 도용 공격자에 대비하여 안전한, 고전적 입력과 출력을 갖는 안전한 양자 양자 계산 프로토콜을 설계하는 것.
• 서버만이 양자 능력을 갖는 것으로 보장하여, 양자 기술 요구 조건을 최소화하고, 클라이언트는 고전적 작업과 단일 큐비트 준비 작업만 수행하도록 하는 것.
• 복잡한 고전적 암호 primitive에 의존도를 줄이기 위해, 입력 비트당 하나의 오블리비어스 터널과 양자 안전한 커밋먼트만 사용하는 것.
• 단일 프로토콜 내에서 Watous 및 Unruh의 기법을 활용하여, 보안 증명을 위한 시뮬레이터를 구성하기 위해 양자 재실행 기법을 적용하는 것.

제안 방법

• 측정 기반 양자 계산(예: 게이트 텔레포테이션 등)에서 고전적 제어와 양자 자원의 분리를 활용하여, 위임된 양자 계산을 위한 클라이언트-서버 모델을 구현한다.
• 양자 가라멜링 회로 프로토콜에서 체크 및 평가 그래프 간 무작위 선택을 통해 QC-CC 기법을 적용하여, 위반 행동이 높은 확률로 탐지되도록 보장한다.
• Watous의 오블리비어스 양자 재실행을 사용하여 코인 토스 단계 동안 공격자의 행동을 시뮬레이션하고, 시뮬레이터가 평가 그래프 선택에 영향을 줄 수 있도록 보장한다.
• Unruh의 특수 양자 재실행을 오블리비어스 터널 및 커밋먼트 단계의 시뮬레이션에 활용하여, 실제 세계와 이상 세계 간의 구분 불가능성을 달성한다.
• 가짜 그래프에 커밋하고, 재실행을 통해 코인 토스를 조작하며, 키를 분해한 후에만 출력을 복호화하는 방식으로 실제 프로토콜을 모방하는 시뮬레이터를 구성한다.
• 양자 공격에 대비한 안전한 커밋먼트와 입력 비트당 한 번의 오블리비어스 터널을 사용하여 보안를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 컷-앤드-체즈 기법을 양자 환경으로 일반화하여, 양자 도용 공격자에 대비한 안전한 양자 양자 계산을 보장할 수 있는가?
• RQ2 표준 양자 재실행이 적용되지 않는 양자 환경에서 보안을 어떻게 증명할 수 있으며, 어떤 양자 재실행 기법을 적응시킬 수 있는가?
• RQ3 양자 계산 모델을 얼마나 고전적 제어와 양자 자원으로 분해하여, 양자 하드웨어 요구 조건을 줄일 수 있는가?
• RQ4 단방향 오프라인 양자 통신과 최소한의 고전적 암호 primitive만을 사용하는 양자 양자 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ5 한 명의 당사자만이 양자 능력을 갖는 것으로 보장하고, 다른 당사자는 고전적으로 제한된 상태를 유지하면서, 양자 도용 공격자에 대비한 보안을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• QC-CC 기법은 고전적 컷-앤드-체즈를 양자 영역으로 성공적으로 일반화하여, 양자 도용 공격자 모델 하에서 안전한 양자 양자 계산을 가능하게 한다.
• 프로토콜은 단방향 오프라인 양자 통신만 요구하여, 이전의 양방향 프로토콜 대비 양자 통신 오버헤드를 크게 감소시킨다.
• 서버만이 양자 능력을 갖는 것으로 보장되며, 클라이언트는 사전에 단일 큐비트를 준비할 수 있어 실용적인 위임 모델을 가능하게 한다.
• 보안은 입력 비트당 하나의 오블리비어스 터널과 양자 안전한 커밋먼트만 사용하여 달성되어, 복잡한 고전적 primitive에 대한 의존도를 최소화한다.
• 프로토콜는 시뮬레이터의 다양한 단계에서 Watous 및 Unruh의 양자 재실행 기법을 모두 활용하여, 단일 프로토콜 내에서 이중 양자 재실행을 처음으로 적용한 사례 중 하나이다.
• 코인 토스 단계에서 재실행 당 성공 확률이 $\frac{1}{s}$이며, 예상 재실행 횟수는 $\tilde{O}(ns)$로, 시뮬레이션의 오차가 무시 가능하게 보장된다.