[论文解读] Smart contracts meet quantum cryptography

Andrea Coladangelo|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 23被引用 12

一句话总结

本文首次将经典智能合约与量子密码学相结合，利用量子闪电技术实现去中心化、可扩展的支付系统。通过结合使用经典区块链进行争议解决与状态追踪，以及抗复制的量子钞票，该系统确保了无需信任的快速交易及丢失价值的恢复，其安全性基于计算假设，且无需依赖中心化权威机构。

ABSTRACT

We put forward the idea that classical blockchains and smart contracts are potentially useful primitives not only for classical cryptography, but for quantum cryptography as well. Abstractly, a smart contract is a functionality that allows parties to deposit funds, and release them upon fulfillment of algorithmically checkable conditions, and can thus be employed as a formal tool to enforce monetary incentives. In this work, we give the first example of the use of smart contracts in a quantum setting. We describe a simple hybrid classical-quantum payment system whose main ingredients are a classical blockchain capable of handling stateful smart contracts, and quantum lightning, a strengthening of public-key quantum money introduced by Zhandry [Eurocrypt 2019]. Our hybrid payment system uses quantum states as banknotes and a classical blockchain to settle disputes and to keep track of the valid serial numbers. It has several desirable properties: it is decentralized, requiring no trust in any single entity; payments are as quick as quantum communication, regardless of the total number of users; when a quantum banknote is damaged or lost, the rightful owner can recover the lost value.

研究动机与目标

• 通过使用量子密码原语解决基于区块链的支付系统中的可扩展性问题。
• 实现在无中心银行依赖情况下的无需信任的去中心化量子货币管理。
• 提供一种机制，在量子钞票丢失或损坏时恢复其价值。
• 形式化智能合约作为强制执行量子密码协议中激励机制的工具。
• 探索将经典区块链功能与量子货币方案（如量子闪电）结合的可行性。

提出的方法

• 利用带有状态的智能合约的经典区块链，维护有效序列号的公开账本并解决争议。
• 使用量子闪电——一种任何实体都无法生成具有相同序列号的两个有效钞票的量子货币方案——作为核心密码原语。
• 设计一种混合系统，用户通过量子态（钞票）进行交易，区块链负责验证和结算交易。
• 通过智能合约实现挑战-响应机制，允许用户通过哈希原像证明所有权，从而恢复丢失或损坏的钞票。
• 采用通用可组合性（UC）框架，将区块链和智能合约功能形式化为理想功能。
• 基于二次哈希函数的多碰撞抗性计算假设，实例化量子闪电方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用经典智能合约安全地去中心化管理量子货币？
• RQ2 基于区块链的系统如何确保量子钞票无法被复制或重复花费？
• RQ3 在不依赖中心化权威机构的情况下，何种机制可实现丢失或损坏的量子钞票的价值恢复？
• RQ4 量子闪电与智能合约的结合能否在保持安全性的前提下实现支付交易的可扩展性？
• RQ5 何种形式化安全模型可用于推理此类混合系统的可组合性与无信任特性？

主要发现

• 所提出的系统通过消除对可信中心化银行的需求，实现了去中心化，转而依赖区块链与量子闪电。
• 交易速度与量子通信速度相当，与用户数量无关，从而解决了支付交易的可扩展性问题。
• 系统通过区块链验证的挑战-响应协议，实现对丢失或损坏的量子钞票的恢复，确保价值保存。
• 安全性在特定二次哈希函数的多碰撞抗性计算假设下得到证明，该假设构成了量子闪电构造的基础。
• 通过利用量子闪电的不可伪造性与智能合约的无信任执行机制，系统有效防止了双重支出与伪造行为。
• 本工作建立了经典智能合约与量子密码工具集成的正式框架，为量子密码学领域开辟了新的研究方向。