[論文レビュー] Device-independent quantum key distribution from computational assumptions

Tony Metger, Yfke Dulek+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 48被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、物理的に困難な通信不可仮定を、後量子暗号からの計算仮定に置き換えるデバイス独立型量子鍵配送（DIQKD）プロトコルを提案する。プロトコル実行中、攻撃者のデバイスが計算的に有界であると仮定することで、デバイス部品が動作中に任意の量子通信を交換できる場合でも、最終鍵に対して情報論的セキュリティを達成する。

ABSTRACT

In device-independent quantum key distribution (DIQKD), an adversary prepares a device consisting of two components, distributed to Alice and Bob, who use the device to generate a secure key. The security of existing DIQKD schemes holds under the assumption that the two components of the device cannot communicate with one another during the protocol execution. This is called the no-communication assumption in DIQKD. Here, we show how to replace this assumption, which can be hard to enforce in practice, by a standard computational assumption from post-quantum cryptography: we give a protocol that produces secure keys even when the components of an adversarial device can exchange arbitrary quantum communication, assuming the device is computationally bounded. Importantly, the computational assumption only needs to hold during the protocol execution -- the keys generated at the end of the protocol are information-theoretically secure as in standard DIQKD protocols.

研究の動機と目的

• デバイス独立型QKDにおける通信不可仮定の実装不審性を解消すること。
• デバイス部品の物理的分離を要件としない状況で、量子非局所性のみで鍵配送を安全にできるかを検討すること。
• 計算仮定が物理的仮定に置き換えられても、最終鍵の情報論的セキュリティが保たれることを示すこと。
• デバイス部品が量子チャネルで接続されている環境において、DIQKDの実用的導入を可能にすること。

提案手法

• デバイス部品が量子チャネルで接続された計算的DIQKD設定を導入し、実行時に即座にエンタングルメントを配布可能にする。
• 後量子暗号からの計算仮定に依存：プロトコル実行中、デバイスは格子ベースや学習誤差問題を解くことができない。
• 量子非局所性と計算の困難性を組み合わせた、改変されたデバイス独立型セキュリティ枠組みを採用。
• 測定統計から安全な鍵を抽出するために、エントロピー蓄積とランダムネス抽出技術を用いる。
• デバイスの計算的有界性を活用して、信号伝播攻撃を防ぐセキュリティ証明を設計。
• 計算仮定が後に破られた場合でも、最終鍵が情報論的セキュリティを保つことを保証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DIQKDにおける通信不可仮定を、情報論的セキュリティを損なわずに計算仮定に置き換えられるか？
• RQ2 デバイス部品が任意の量子通信を交換可能であっても、それらが計算的に有限である限り、安全な鍵配送が可能か？
• RQ3 計算仮定をデバイス独立型セキュリティ枠組みに統合することで、すべての観測可能な攻撃者に対してもセキュリティを維持できるか？
• RQ4 接続されたデバイスを想定したDIQKDプロトコルで、セキュリティを保証するための最小限の仮定は何か？

主な発見

• デバイス部品が任意の量子通信を交換できる場合でも、最終鍵に対して情報論的セキュリティが達成される。
• セキュリティは、後量子暗号からの標準的計算仮定にのみ依存し、これはプロトコル実行中のみに成り立つ必要がある。
• 計算仮定が後に破られても、最終鍵は安全であり、永遠のセキュリティが保たれる。
• 部品が量子チャネルで接続された現実的なデバイス構成でもプロトコルが頑健であり、実用的実装が可能。
• 物理的シールドや部品の時空的分離を要件としないデバイス独立型セキュリティが実現可能。
• 計算仮定がDIQKDにおける物理的制約に置き換えられることを示し、実用的妥当性が著しく拡大される。