[论文解读] Physical Randomness Extractors

Kai-Min Chung, Yaoyun Shi+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2014

Physical Unclonable Functions (PUFs) and Hardware Security被引用 14

一句话总结

本文提出了一种物理随机性提取器，利用量子装置从单一弱随机源生成可证明均匀的随机性，其基础为物理定律而非不可测试的假设。该方法通过利用一种新型等价性引理（Equivalence Lemma）实现组合安全性，从而在存在实现不精确性的情况下，仍能实现接近最优的误差、无限的随机性扩展，并对量子敌手保持安全。

ABSTRACT

How to generate provably true randomness with minimal assumptions? This question is important not only for the efficiency and the security of information processing, but also for understanding how extremely unpredictable events are possible in Nature. All current solutions require special structures in the initial source of randomness, or a certain independence relation among two or more sources. Both types of assumptions are impossible to test and difficult to guarantee in practice. Here we show how this fundamental limit can be circumvented by extractors that base security on the validity of physical laws and extract randomness from untrusted quantum devices. In conjunction with the recent work of Miller and Shi (arXiv:1402:0489), our physical randomness extractor uses just a single and general weak source, produces an arbitrarily long and near-uniform output, with a close-to-optimal error, secure against all-powerful quantum adversaries, and tolerating a constant level of implementation imprecision. The source necessarily needs to be unpredictable to the devices, but otherwise can even be known to the adversary. Our central technical contribution, the Equivalence Lemma, provides a general principle for proving composition security of untrusted-device protocols. It implies that unbounded randomness expansion can be achieved simply by cross-feeding any two expansion protocols. In particular, such an unbounded expansion can be made robust, which is known for the first time. Another significant implication is, it enables the secure randomness generation and key distribution using public randomness, such as that broadcast by NIST's Randomness Beacon. Our protocol also provides a method for refuting local hidden variable theories under a weak assumption on the available randomness for choosing the measurement settings.

研究动机与目标

• 为在传统随机源不可信或不可测试的场景下，以最少假设生成真正随机性提供解决方案。
• 消除对独立或结构化随机源的依赖，因为这些源在实践中难以验证。
• 开发一种基于物理定律而非对随机源不可测试假设的安全协议。
• 利用不可信的量子设备，从单一弱随机源实现无限的随机性扩展。
• 支持使用公共随机源（如NIST的随机性信标）进行安全的随机性生成与密钥分发。

提出的方法

• 该协议使用一种物理随机性提取器，作用于单一通用弱随机源，该源无需具备独立性或结构性。
• 它利用一种新型技术原理——等价性引理（Equivalence Lemma），证明不可信设备协议的组合安全性，从而实现鲁棒的无限随机性扩展。
• 该方法通过交叉馈送两个随机性扩展协议，使得在初始源上假设极少的情况下，实现无限扩展。
• 即使敌手知晓测量设置，只要源对设备保持不可预测，安全性仍可得到保障，且敌手为全能力量子敌手。
• 该协议容忍恒定水平的实现不精确性，使其在真实环境中具有鲁棒性。
• 它支持将公共随机源（如NIST的随机性信标）用于安全的密钥分发与随机性生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能从单一弱随机源生成真正随机性，而无需对源的独立性或结构性提出要求？
• RQ2 是否能仅基于物理定律而非对随机源的不可测试假设，保证对量子敌手的安全性？
• RQ3 是否能利用单一弱随机源和不可信的量子设备实现无限的随机性扩展？
• RQ4 是否能将公共随机源安全地集成到随机性生成与密钥分发协议中？
• RQ5 是否能在保持安全性的前提下，使协议对实现不精确性具有鲁棒性？

主要发现

• 所提出的提取器即使仅从单一弱源出发，也能生成任意长的输出，且输出接近均匀，误差接近最优。
• 等价性引理使不可信设备协议的组合安全性成为可能，通过交叉馈送两个扩展协议，实现无限随机性扩展。
• 该协议对恒定水平的实现不精确性具有鲁棒性，是实际部署中的重要进展。
• 它支持使用公共随机源（如NIST的随机性信标）进行安全的随机性生成与密钥分发。
• 该协议在对测量设置选择施加弱假设的前提下，提供了一种反驳局域隐变量理论的方法。
• 即使敌手知晓测量设置，只要源对设备保持不可预测，安全性仍可维持。