[論文レビュー] Secure Software Leasing

Prabhanjan Ananth, Rolando L. La Placa|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Cryptography and Data Security参考文献 58被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、量子暗号的プリミティブとしての安全なソフトウェアリース（SSL）を導入し、所有者が古典的回路を表す量子状態をリースすることで、リース期限が切れた後も受領者が関数を計算できないように保証する。著者らは、具体的な暗号的仮定に基づいて、回避的回路のクラスに対する最初の証明可能に安全なSSL構成を提示するとともに、量子に学習不能な関数に対する不可能性結果も示している。

ABSTRACT

Formulating cryptographic definitions to protect against software piracy is an important research direction that has not received much attention. Since natural definitions using classical cryptography are impossible to achieve (as classical programs can always be copied), this directs us towards using techniques from quantum computing. The seminal work of Aaronson [CCC'09] introduced the notion of quantum copy-protection precisely to address the problem of software anti-piracy. However, despite being one of the most important problems in quantum cryptography, there are no provably secure solutions of quantum copy-protection known for any class of functions. We formulate an alternative definition for tackling software piracy, called secure software leasing (SSL). While weaker than quantum copy-protection, SSL is still meaningful and has interesting applications in software anti-piracy. We present a construction of SSL for a subclass of evasive circuits (that includes natural implementations of point functions, conjunctions with wild cards, and affine testers) based on concrete cryptographic assumptions. Our construction is the first provably secure solution, based on concrete cryptographic assumptions, for software anti-piracy. To complement our positive result, we show, based on cryptographic assumptions, that there is a class of quantum unlearnable functions for which SSL does not exist. In particular, our impossibility result also rules out quantum copy-protection [Aaronson CCC'09] for an arbitrary class of quantum unlearnable functions; resolving an important open problem on the possibility of constructing copy-protection for arbitrary quantum unlearnable circuits.

研究の動機と目的

• 量子コピープロテクションの代替手段として、より弱いが実用的な代替案を提示することで、ソフトウェアの違法複製問題に対処すること。
• リース期限が切れた後は再利用できないソフトウェア状態を保証する、安全なソフトウェアリース（SSL）という新しい暗号的プリミティブを形式化すること。
• 具体的な暗号的仮定に基づいて、回避的回路の部分クラスに対する最初の証明可能に安全なSSLスキームを構築すること。
• 量子に学習不能な関数の特定のクラスに対してSSLが不可能であることを示す、根本的な制限を確立すること。
• 任意の量子に学習不能な回路に対する量子コピープロテクションの可能性という未解決問題を解決すること。

提案手法

• 著者らは、4者（Gen、リース供与者、実行、検証）の量子多項式時間プロトコルを定義し、リース期限が切れた後の正しく動作する機能とセキュリティを保証する。
• 彼らは、量子入力隠蔽オブスクリューション（qIHO）、量子非インタラクティブゼロ知識（qNIZK）、および量子安全な擬似乱数関数（qPRF）を用いてSSLを構築する。
• このスキームは、量子安全な共通参照文字列（CRS）と、q-シミュレーション抽出可能NIZKに依存しており、妥当性とシミュレーションセキュリティを保証する。
• セキュリティの証明は、ハイブリッド実験の系列を経て行われ、q-シミュレーション抽出可能性仮定の下で、正当な証明とシミュレートされた証明が区別不能であることを示す。
• 彼らは、q-入力隠蔽オブスクリューション方式を用いて、オブスクリュートされた回路が量子状態から学習できないように保証する。
• 最終的なセキュリティ還元により、SSLに対する任意の成功した攻撃は、q-シミュレーション抽出可能NIZKおよびqIHOを含む、下位の暗号的仮定の破綻を意味することを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 具体的な暗号的仮定に基づいて、意味のある関数クラスに対して証明可能に安全なソフトウェアリーススキームを構築することは可能か？
• RQ2 すべての関数クラスに対して安全なソフトウェアリースは可能か、それとも根本的な制限があるか？
• RQ3 特定の関数クラスに対してSSLが不可能であることは、量子コピープロテクションに対しても制限を示唆するか？
• RQ4 完全な量子コピープロテクションを必要とせずに、量子技術を用いてソフトウェアの違法複製を防ぐことは可能か？
• RQ5 安全なソフトウェアリースを達成するために必要な最小限の暗号的仮定は何か？

主な発見

• 著者らは、具体的な仮定に基づいて、ポイント関数、ワイルドカード付き論理積、アフィンテスト関数を含む回避的回路の部分クラスに対する、SSLの最初の証明可能に安全な構成を提示する。
• この構成は、量子安全な擬似乱数関数、量子入力隠蔽オブスクリューション、およびq-シミュレーション抽出可能な非インタラクティブゼロ知識証明に依存する。
• スキームのセキュリティはハイブリッド論法により証明され、SSLを破る任意の攻撃者は、下位の暗号的プリミティブを破ることに使えることが示されている。
• 論文は、標準的な暗号的仮定の下で、量子に学習不能な関数のすべてのクラスに対してSSLが不可能であることを証明している。
• この不可能性結果により、任意の量子に学習不能な回路に対する量子コピープロテクションの可能性が否定され、未解決問題が解決された。
• 本研究は、SSLで達成可能なことと、量子技術でさえも到達できないこととの明確な分離を確立している。