[논문 리뷰] New security notions and feasibility results for authentication of quantum data

Sumegha Garg, Henry Yuen외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 26.

Chaos-based Image/Signal Encryption참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기존 정의를 강화하여 인증 성공 시 공격자 행동, 특히 키 상관관계까지 포괄하는 새로운 양자 인증 보안 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 3-유니버설 해싱을 사용하는 Wegman-Carter MAC와 특정 양자 상태 인증 프로토콜이 이 보안 개념을 만족함을 증명하며, 이는 정보 이론적 수준의 키 재사용과 안전한 양자 키 분배를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We give a new class of security definitions for authentication in the quantum setting. These definitions capture and strengthen existing definitions of security against quantum adversaries for both classical message authentication codes (MACs) and well as full quantum state authentication schemes. The main feature of our definitions is that they precisely characterize the effective behavior of any adversary when the authentication protocol accepts, including correlations with the key. Our definitions readily yield a host of desirable properties and interesting consequences; for example, our security definition for full quantum state authentication implies that the entire secret key can be re-used if the authentication protocol succeeds. Next, we present several protocols satisfying our security definitions. We show that the classical Wegman-Carter authentication scheme with 3-universal hashing is secure against superposition attacks, as well as adversaries with quantum side information. We then present conceptually simple constructions of full quantum state authentication. Finally, we prove a lifting theorem which shows that, as long as a protocol can securely authenticate the maximally entangled state, it can securely authenticate any state, even those that are entangled with the adversary. Thus, this shows that protocols satisfying a fairly weak form of authentication security automatically satisfy a stronger notion of security (in particular, the definition of Dupuis, et al (2012)).

연구 동기 및 목표

• 기존의 양자 인증 보안 정의가 인증 성공 시 공격자 행동을 포괄하지 못하는 한계를 해결한다.
• 공격자와 비밀 키 사이의 상관관계를 포함하여 양자 초위상 공격에 대한 강건성을 보장하는 보안 개념을 강화한다.
• 성공적인 인증 후 전체 비밀 키를 재사용할 수 있는 조건을 확립한다. 이는 주요 실용적 이점이다.
• 최대 얽힘 상태의 안전한 인증이 모든 양자 상태의 안전한 인증을 암시함을 증명하여 리프팅 정리(lifting theorem)를 수립한다.
• 새로운 보안 정의를 만족하는 효율적이고 개념적으로 단순한 전체 양자 상태 인증 프로토콜을 구축한다.

제안 방법

• 인증 성공 시 공격자의 효과적 행동, 특히 키와의 얽힘까지 포함하는 '키 泄露를 수반한 전체 인증(totally authenticated with key leakage)'이라는 새로운 보안 정의를 도입한다.
• 3-유니버설 해싱을 사용하는 Wegman-Carter 체계가 초위상 공격과 양자 측면 정보를 가진 공격자에 대해서도 안전하다는 것을 증명한다.
• 양자 푸리에 변환과 고전적 인증을 조합하여 키 泄露를 수반한 전체 인증을 달성하는 Auth-QFT-Auth 체계를 설계한다.
• 근사 유니타리 2-디자인과 8-디자인을 사용하여 새로운 정의 하에 안전한 양자 상태 인증 프로토콜을 구성한다.
• 만약 프로토콜이 최대 얽힘 상태를 안전하게 인증한다면, 그 프로토콜은 공격자와 얽힌 상태를 포함한 모든 양자 상태를 안전하게 인증함을 보여주는 리프팅 정리를 개발한다.
• 하이브리드 추론과 양자 텔레포테이션 기반 분석을 적용하여 보안을 증명하며, 문제를 최대 얽힘 상태에서의 보안 검증으로 환원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Wegman-Carter와 3-유니버설 해싱을 포함한 기존 고전적 MAC는 더 강력한 보안 정의 하에서 초위상 공격에 대해 안전하다고 증명될 수 있는가?
• RQ2 인증 프로토콜이 성공하더라도 공격자가 양자 측면 정보를 가진 상태에서 키 재사용이 가능한 전체 인증을 달성할 수 있는가?
• RQ3 최대 얽힘 상태의 안전한 인증이 새로운 보안 프레임워크 하에서 모든 양자 상태의 안전한 인증을 암시하는가?
• RQ4 Auth-QFT-Auth 구조는 Wegman-Carter 외의 일반적인 안전한 고전적 인증 체계와도 일반화될 수 있는가?
• RQ5 양자 인증을 위한 자연스러운 '다중 사용' 보안 정의는 존재하는가? 이 정의는 특정 조건 하에서 키의 반복 사용을 허용한다.

주요 결과

• 3-유니버설 해싱을 사용하는 Wegman-Carter MAC는 초위상 공격과 양자 측면 정보를 가진 공격자에 대해서도 안전하며, 새로운 보안 정의를 만족한다.
• 내부 인증이 3-유니버설 해싱에 기반할 경우, Auth-QFT-Auth 체계는 키 泄露를 수반한 전체 인증을 달성한다.
• 유니타리 8-디자인을 기반으로 한 체계는 전체 인증을 달성하며, 근사 유니타리 디자인을 사용하여 확률적 분석을 결정론적으로 환원할 수 있다.
• 리프팅 정리가 증명되었다: 만약 프로토콜이 최대 얽힘 상태를 안전하게 인증한다면, 그 프로토콜은 공격자와 얽힌 상태를 포함한 모든 양자 상태를 안전하게 인증한다.
• 새로운 보안 정의는 성공적인 인증 후 전체 비밀 키를 재사용할 수 있음을 암시하며, 이는 중요한 실용적 이점이다.
• 최종 상태는 [DNS12] 정의 하에 오차 ε 이내로, 공격자가 무관심한 상태를 제어하는 이상적인 상태에 근접하며, 이는 ε-보안성을 증명한다.