[논문 리뷰] Fully general device-independence for two-party cryptography and position verification

Jérémy Ribeiro, Gláucia Murta외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 27.

Quantum Computing Algorithms and Architecture인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 노이지 스토리지 환경에서 두 당사자 암호화 및 위치 검증을 위한 완전히 일반적인 장치 독립적 모델을 소개하며, 장치가 임의의 양자 메모리, 상태 및 측정을 가질 경우에도 보안성을 입증한다. 수정된 엔트로피 축적 정리(Entropy Accumulation Theorem)를 활용하여, CHSH 벨 테스트 기반 프로토콜이 CHSH 부등식 위반의 어느 정도이든 보장되며, 더 높은 위반 정도일수록 필요로 하는 프로토콜 라운드 수가 감소함을 보여준다.

ABSTRACT

Device-independent quantum cryptography allows security even if the devices used to execute the protocol are untrusted - whether this is due to unknown imperfections in the implementation, or because the adversary himself constructed them to subvert the security of the protocol. While device-independence has seen much attention in the domain of quantum key distribution, relatively little is known for general protocols. Here we introduce a new model for device-independence for two-party protocols and position verification in the noisy-storage model. For the first time, we show that such protocols are secure in the most general device-independent model in which the devices may have arbitrary memory, states and measurements. In our analysis, we make use of a slight modification of a beautiful new tool developed in [arXiv:1607.01796] called "Entropy Accumulation Theorem". What's more, the protocols we analyze use only simple preparations and measurements, and can be realized using any experimental setup able to perform a CHSH Bell test. Specifically, security can be attained for any violation of the CHSH inequality, where a higher violation merely leads to a reduction in the amount of rounds required to execute the protocol.

연구 동기 및 목표

• 장치가 신뢰할 수 없거나 악의적으로 설계된 경우에도 보장되는 일반 장치 독립적 프레임워크를 구축함으로써 두 당사자 프로토콜 및 위치 검증을 위한 보안 보장을 확립한다.
• 양자 키 분배를 초과하는 장치 독립적 양자 프로토콜에서의 보안 보장 부족 문제를 해결한다.
• 기본 양자 연산—준비 및 측정—만을 사용하여 실용적인 구현을 가능하게 하며, CHSH 벨 테스트를 수행할 수 있는 어떤 설정과도 호환된다.
• CHSH 부등식 위반의 어느 정도이든 보안이 달성 가능하며, 위반 정도가 높을수록 성능이 향상됨을 보여준다.

제안 방법

• arXiv:1607.01796에서 제시된 엔트로피 축적 정리의 수정된 버전을 사용하여 장치 행동에서의 불확실성 축적을 분석한다.
• 장치가 임의의 양자 메모리, 상태 및 측정을 가진다고 모델링하여 프레임워크가 완전히 일반적이도록 보장한다.
• CHSH 벨 테스트 구성에서 얽힌 상태를 준비하고 측정하는 데에만 의존하는 프로토콜을 설계한다.
• CHSH 부등식 위반 정도를 보안 파rameter로 사용하며, 더 높은 위반 정도일수록 더 강력한 보안과 더 적은 라운드 수를 의미한다.
• 노이지 스토리지 모델에서 보안 증명을 제시하여 적대자의 잠재적 양자 메모리 제약를 고려한다.
• 장치의 실현 구조 결함이나 악의적인 설계 여부에 관계없이 프로토콜이 보장된 보안을 유지하도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장치 행동에 대한 가장 일반적인 가정 하에 두 당사자 프로토콜 및 위치 검증에 장치 독립적 보안을 달성할 수 있는가?
• RQ2 장치가 임의의 양자 메모리, 상태 및 측정을 가질 경우 보안을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ3 CHSH 벨 테스트 위반은 장치 독립적 프로토콜의 효율성과 보안에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 기본 양자 연산인 상태 준비 및 측정만을 사용하여 실용적인 프로토콜을 구성할 수 있는가?
• RQ5 CHSH 부등식 위반 정도는 프로토콜 실행에 필요한 라운드 수에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 장치가 신뢰할 수 없거나 악의적으로 설계된 경우에도 장치 독립적 보안을 달성하며, 내부 양자 연산에 대한 제한 없이 작동한다.
• CHSH 부등식의 어느 정도의 위반에도 보안이 보장되어, 다양한 실험적 구현에 대한 강건성을 입증한다.
• CHSH 부등식 위반 정도가 높을수록 프로토콜 라운드 수가 감소하여 효율성이 향상된다.
• 프레임워크는 완전히 일반적이며, 알려지지 않은 또는 악의적인 장치 구현 방식을 포함한 임의의 장치 행동을 수용할 수 있다.
• 수정된 엔트로피 축적 정리를 사용함으로써 최소한의 가정 하에 엄밀한 보안 분석이 가능해진다.
• 표준 양자 연산만을 사용하여, 어떤 CHSH 벨 테스트 설정과도 호환되는 실용적인 실현이 가능하다.