[论文解读] Cryptanalysis of the efficient two-party quantum private comparison protocol with decoy photons and two-photon entanglement

Zhiwei Sun, Dongyang Long|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2012

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文对YW量子私有比较协议进行密码分析，表明被攻破的第三方（TP）可通过分析单次编码前后贝尔态数量的变化，无需引入可检测错误，即可推断出两方之间的比较结果。该攻击利用TP对初始EPR对分布的了解以及采样态的不变性，暴露了协议设计中的关键安全缺陷。

ABSTRACT

We analyze the security of the efficient two-party quantum private comparison protocol with decoy photons and two-photon entanglement. It is shown that the compromised third party (TP) can obtain the final comparison result without introducing any detectable errors in the standard semi-honest model. The attack strategy is discussed in detail and an improvement of this protocol is demonstrated. The idea of our attack might be instructive for the cryptanalysis of quantum cryptographic schemes.

研究动机与目标

• 识别并分析带有诱饵光子和两光子纠缠的YW量子私有比较协议中的安全漏洞。
• 证明半诚实但被攻破的第三方（TP）可在不引入可检测错误的情况下获知比较结果。
• 揭示TP对初始贝尔态分布的了解，使其可通过态计数比较推断出输入是否相等。
• 提出一种对策：通过在编码过程中改变采样量子比特，修改协议以防止此类信息泄露。
• 强调在量子密码协议设计中最小化额外信息泄露的重要性。

提出的方法

• TP准备并分发具有已知初始贝尔态分布的EPR对，并记录每种贝尔态类型的数量。
• TP使用诱饵光子检测传输至Bob和Charlie过程中的窃听行为。
• Bob和Charlie根据其秘密输入执行局域酉操作后，TP对返回的纠缠对执行贝尔基测量。
• TP将初始贝尔态数量与测量后数量进行比较，以检测指示输入不等的差异。
• 该攻击成功，是因为TP确切知道初始分布，并能观察到编码后态数量的变化，即使TP未获知具体操作。
• 提出一种对策：Bob和Charlie使用QKD生成的密钥随机值对采样EPR对执行酉操作，从而改变采样态分布，防止TP推断。

实验结果

研究问题

• RQ1 在YW协议中，被攻破的第三方（TP）能否在不引入可检测错误的情况下推断出两方之间的比较结果？
• RQ2 为何原始YW协议无法防范半诚实TP的攻击（即TP遵守协议但监控态计数）？
• RQ3 协议的何种特定属性使得TP可通过贝尔态计数分析推断出输入不等？
• RQ4 如何修改协议以防止TP通过态计数比较获知比较结果？
• RQ5 未来量子私有比较协议的设计应遵循何种原则，以最小化非预期的信息泄露？

主要发现

• 被攻破的TP可通过比较每种贝尔态类型的初始和最终数量，判断Bob和Charlie的输入是否相等或不等。
• 该攻击在量子信道中未引入任何可检测错误，因此在标准窃听检测机制下无法被发现。
• 该攻击成功，是因为TP确切知道贝尔态的初始分布，并能观察到酉编码后其数量的变化。
• 若输入值相等，贝尔态数量保持不变；若不等，则至少一种贝尔态数量发生变化，从而暴露不等性。
• 原始协议中固定采样EPR对在编码过程中保持不变，为TP创造了持续存在的侧信道。
• 提出一种安全改进：Bob和Charlie使用秘密随机值对采样EPR对执行酉操作，从而改变采样态分布，防止TP推断。