[论文解读] Composable security of measuring-Alice blind quantum computation

Tomoyuki Morimae, Takeshi Koshiba|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2013

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本文利用构造性密码学，为测量-爱丽丝盲态量子计算协议建立了可组合安全性，证明该协议在与其他协议组合时仍能保持盲态性和可验证性。通过利用无信号原理和设备无关安全性，作者提供了一种透明且稳健的安全性证明，简化了以往的方法，并确认了该协议在真实、并发执行场景下对恶意服务器的鲁棒性。

ABSTRACT

Blind quantum computing [A. Broadbent, J. Fitzsimons, and E. Kashefi, Proceedings of the 50th Annual IEEE Symposium on Foundations of Computer Science 517 (2009)] is a secure cloud quantum computing protocol which enables a client (who does not have enough quantum technology at her disposal) to delegate her quantum computation to a server (who has a universal quantum computer) without leaking any relevant information to the server. In [T. Morimae and K. Fujii, Phys. Rev. A {\bf87}, 050301(R) (2013)], a new blind quantum computing protocol, so called the measuring-Alice protocol, was proposed. This protocol offers several advantages over previous protocols, such as the device-independent security, less demanding requirements for the client, and a simpler and stronger security based on the no-signaling principle. In this paper, we show composable security of the measuring-Alice protocol by using the formalism of the constructive cryptography [U. Maurer, Proceedings of Theory of Security and Applications, TOSCA 2011, pages 33-56. Springer (2011)]. The above advantages of measuring-Alice protocol enable more intuitive and transparent proofs for the composable security.

研究动机与目标

• 为测量-爱丽丝盲态量子计算协议建立可组合安全性，确保其在与其他协议任意组合时仍保持安全。
• 通过展示在协议组合的更广泛、更真实的网络环境中安全性，解决独立安全性证明的局限性。
• 利用测量-爱丽丝协议的固有优势（如设备无关安全性与较低的客户端要求），简化并加强安全性证明。
• 证明协议的盲态性和可验证性具有可组合性，即即使该协议作为更大密码系统中的子程序使用，其安全性依然成立。
• 利用构造性密码学提供一种透明且直观的安全框架，避免传统可组合安全性构造的复杂性。

提出的方法

• 采用构造性密码学的形式化框架，将测量-爱丽丝协议建模为一个安全的真实世界原原子。
• 将协议的理想功能定义为一个可信第三方，其在不泄露任何信息的前提下执行客户端的量子计算。
• 构建一个模拟器，以在理想世界中模拟真实协议的行为，确保在任何攻击者面前都保持不可区分性。
• 将无信号原理作为基础安全性假设，通过消除对详细量子态分析的需求，简化了证明过程。
• 证明真实世界与理想世界之间的距离被一个小误差参数 ε 所有界，从而确保可组合安全性。
• 通过展示在构造性密码学框架下与理想功能的等价性，证明协议满足可组合盲态性与可验证性。

实验结果

研究问题

• RQ1 测量-爱丽丝盲态量子计算协议能否在可组合安全性定义下被证明安全，从而确保其在任意协议组合中的安全性？
• RQ2 与传统的独立安全性方法相比，构造性密码学在多大程度上简化并加强了安全性证明？
• RQ3 协议的优势（如设备无关安全性与客户端仅需测量）在多大程度上促进了更透明、更直观的可组合安全性证明？
• RQ4 无信号原理是否足以作为证明测量-爱丽丝协议可组合安全性的充分基础？
• RQ5 是否可以在不依赖复杂量子态层析或纠缠验证的前提下，建立测量-爱丽丝协议的可组合安全性？

主要发现

• 测量-爱丽丝协议在构造性密码学框架下实现了可组合安全性，确保其在与其他协议组合时安全性依然成立。
• 通过利用无信号原理，安全性证明得到显著简化，使得无需详细量子态分析即可进行直接且直观的论证。
• 协议的设备无关安全性以及仅需客户端测量的特性，使得可组合安全性证明更加稳健且透明。
• 真实世界与理想世界之间的距离被有界为 ε = 2δ，其中 δ 衡量了态制备的误差，从而以明确的误差界确认了协议的安全性。
• 协议的可组合盲态性与可验证性得到正式确立，表明服务器无法获取关于客户端输入、输出或程序的任何信息。
• 结果确认测量-爱丽丝协议满足先前工作中定义的可组合安全性条件，且通过直接且构造性的证明方式，避免了对中间独立安全性定义的依赖。