[论文解读] Bit Commitment from Non-Local Correlations

Severin Winkler, Stefan Wolf+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2008

Wireless Communication Security Techniques参考文献 14被引用 1

一句话总结

本文证明，任何非平凡的两方输入-输出系统——具体而言，即无法通过局域隐变量模拟的非局域关联系统——均可实现无条件安全的比特承诺。关键结果是，此类系统，包括任何不具有隐变量模型的两量子比特态，均可在无需消息传输的情况下，为信息论安全的比特承诺提供基础。

ABSTRACT

Central cryptographic functionalities such as encryption, authentication, or secure two-party computation cannot be realized in an information-theoretically secure way from scratch. This serves as a motivation to study what (possibly weak) primitives they can be based on. We consider as such starting points general two-party input-output systems that do not allow for message transmission, and show that they can be used for realizing unconditionally secure bit commitment as soon as they are non-trivial, i.e., cannot be realized from distributed randomness only. In particular, our result implies that any twoqubit state without hidden-variable model has an input-output behavior allowing for unconditional bit commitment.

研究动机与目标

• 确定无消息传输的弱密码原原子是否可作为更强原原子（如比特承诺）的基础。
• 确定在何种最小条件下，可实现无条件安全的比特承诺。
• 建立量子系统中隐变量模型的缺失与安全比特承诺可行性之间的联系。
• 证明任何非平凡的两方系统（即不可约化为分布式随机性）均可支持无条件安全的比特承诺。

提出的方法

• 分析不允许可信消息传输的一般两方输入-输出系统。
• 若系统无法仅通过局域随机性和共享随机性模拟，则定义其为非平凡的。
• 将非局域关联（特别是违反贝尔不等式的关联）作为关键资源。
• 应用设备无关量子密码学框架，证明非局域性意味着安全比特承诺的存在。
• 证明任何不具有隐变量模型的两量子比特态均可产生此类非局域关联。
• 确立系统中非局域关联的存在是实现无条件安全比特承诺的必要且充分条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从不允许可信消息传输的两方系统中构建无条件安全的比特承诺？
• RQ2 在设备无关设置下，实现无条件安全比特承诺所需的最小物理资源是什么？
• RQ3 量子系统中隐变量模型的缺失如何影响安全比特承诺的可行性？
• RQ4 所有非平凡的两方系统——尤其是具有非局域关联的系统——是否均具备实现比特承诺的能力？
• RQ5 任何不具有隐变量模型的两量子比特态是否均可用于实现无条件安全的比特承诺？

主要发现

• 任何非平凡的两方输入-输出系统（即无法通过局域隐变量或分布式随机性模拟）均可用于实现无条件安全的比特承诺。
• 非局域关联（由贝尔不等式的违反定义）足以实现无条件安全的比特承诺。
• 即使在无消息传输的情况下，该结果依然成立，表明非局域性本身即可提供一种密码学原原子。
• 具体而言，任何不承认隐变量模型的两量子比特量子态均可支持无条件安全的比特承诺。
• 本文建立了基础性量子特性（非局域性）与实际密码学安全性之间的直接联系。
• 该构造具有信息论安全性，意味着其对任何计算能力无限的攻击者均保持安全。