[논문 리뷰] Uncloneable Quantum Encryption via Random Oracles

Anne Broadbent, Sébastien Lord|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고전적 암호화 메시지를 두 개의 고립된 협력하는 공격자조차 함께 복원할 수 없도록 하는 새로운 암호 primitive인 복제 불가능한 양자 암호화를 소개한다. 암호화 키가 공개된 상태에서도 가능하다. 위즈너의 켤레 코드와 양자 무작위 오라클로 모델링된 양자 보안 허위난수 함수를 결합함으로써, 양자 염가의 얽힘 원리에 기반한 정보 이론적 보안을 달성한다.

ABSTRACT

Quantum information is well-known to achieve cryptographic feats that are unattainable using classical information alone. Here, we add to this repertoire by introducing a new cryptographic functionality called uncloneable encryption. This functionality allows the encryption of a classical message such that two collaborating but isolated adversaries are prevented from simultaneously recovering the message, even when the encryption key is revealed. Clearly, such functionality is unattainable using classical information alone. We formally define uncloneable encryption, and show how to achieve it using Wiesner's conjugate coding, combined with a quantum-secure pseudorandom function (qPRF). Modelling the qPRF as a quantum random oracle, we show security by adapting techniques from the quantum one-way-to-hiding lemma, as well as using bounds from quantum monogamy-of-entanglement games.

연구 동기 및 목표

• 암호화 키가 공개된 상태에서도 두 고립된 공격자가 메시지를 함께 복원할 수 없는 새로운 암호 primitive인 복제 불가능한 암호화를 체계적으로 정의하는 것.
• 이러한 기능이 고전적 정보만으로는 이룰 수 없음을 입증하여, 암호학에서 양자 정보가 지닌 고유한 능력을 부각하는 것.
• 위즈너의 켤레 코드와 양자 보안 허위난수 함수(qPRF)를 사용해 복제 불가능한 암호화의 안전한 구현체를 구성하는 것.
• 양자 랜덤 오라클 모델에서 양자 일방향성에서 은폐성으로의 변환 기법을 응용하고 얽힘의 단독 소유 원리에 기반한 경계를 활용하여 보안을 확립하는 것.
• 공격자들이 얽힘을 공유하고 있더라도, 양자적 염가의 얽힘 공유에 대한 기본 원칙을 활용해 보안이 유지됨을 보여주는 것.

제안 방법

• 서로 수직인 기저를 사용해 고전적 메시지를 양자 상태로 인코딩하기 위해 위즈너의 켤레 코드를 활용한다.
• 키에 따라 달라지는 인코딩 패tern을 생성하기 위해 양자 보안 허위난수 함수(qPRF)를 양자 랜덤 오라클로 활용한다.
• qPRF를 양자 랜덤 오라클로 모델링하여 양자 질의 복잡도 기법을 사용한 보안 증명을 가능하게 한다.
• qPRF의 보안을 선택 평문 공격에 대한 구분 불가능성으로 전환하기 위해 양자 일방향성에서 은폐성으로의 렘마를 적용한다.
• 양자 염가의 얽힘 원리 게임에서의 경계를 활용해, 서로 다른 두 공격자가 얽힘을 공유하고 있더라도 공동으로 메시지를 복원하는 것을 방지한다.
• 이러한 구성 요소들을 조합하여, 암호문이 양자 상태가 되고 복호화에 정확한 키가 필요한 완전한 암호화 체계를 구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 암호화 키가 공개된 상태에서도 두 고립된 공격자가 고전적으로 암호화된 메시지를 함께 복원할 수 없는 암호 체계를 설계할 수 있는가?
• RQ2 복제 불가능성의 보장을 위해 어떤 양자 정보 이론 원리가 암호화 체계에 활용될 수 있는가?
• RQ3 양자 보안 허위난수 함수는 켤레 코드와 어떻게 통합되어 복제 불가능한 암호화를 달성하는가?
• RQ4 이 체계의 보안이 양자 시스템에서의 염가의 얽힘 원리에 얼마나 의존하는가?
• RQ5 복제 불가능한 암호화의 보안은 양자 랜덤 오라클 모델에서 공식적으로 증명될 수 있는가?

주요 결과

• 논문은 고전적 정보로는 달성할 수 없는 새로운 암호 primitive인 복제 불가능한 암호화를 성공적으로 정의하고 구현하였다.
• 공격자들이 얽힘을 공유하고 암호화 키를 제공받더라도, 두 고립된 공격자에 대한 정보 이론적 보안이 달성된다.
• 양자 랜덤 오라클 모델에서 양자 일방향성에서 은폐성으로의 렘마를 켤레 코드의 맥락에 적응시켜 보안을 증명하였다.
• 양자 염가의 얽힘 경계를 활용함으로써, 두 당사자가 동시에 암호화된 메시지의 전체 지식을 확보할 수 없음을 보장한다.
• 구성은 위즈너의 켤레 코드와 양자 보안 허위난수 함수에 기반하여 실용적이고 증명 가능하게 안전한 구현체를 제공한다.
• 결과적으로, 양자 정보는 고전적 시스템이 도달할 수 없는 기능, 특히 암호화된 데이터의 공동 복원을 제한하는 데에 기여함을 보여준다.