[论文解读] Delegated Pseudo-Secret Random Qubit Generator.

Alexandru Cojocaru, Léo Colisson+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2018

Cryptography and Data Security参考文献 40被引用 5

一句话总结

本文提出了一种委托式伪秘密随机量子比特生成器（PSRQG），使经典客户端能够通过仅使用经典通信信道，安全地指令远程量子服务器准备随机量子比特，且这些量子比特的经典描述对除客户端外的所有参与方保持计算隐藏——而无需量子通信。协议QFactory利用学习错误问题（LWE）构建了一种量子安全、两重正则、抗碰撞的陷门单向函数，从而实现了首个完全基于经典客户端、计算安全的可验证委托通用量子计算。

ABSTRACT

We define the functionality of delegated pseudo-secret random qubit generator (PSRQG), where a classical client can instruct the preparation of a sequence of random qubits at some distant party. Their classical description is (computationally) unknown to any other party (including the distant party preparing them) but known to the client. We emphasize the unique feature that no quantum communication is required to implement PSRQG. This enables classical clients to perform a class of quantum communication protocols with only a public classical channel with a quantum server. A key such example is the delegated universal quantum computing. Using our functionality one could achieve for the first time a purely classical-client computational secure verifiable delegated universal quantum computing (also referred to as verifiable blind quantum computation). We give a concrete protocol (QFactory) implementing PSRQG, using the Learning-With-Errors problem to construct a trapdoor one-way function with certain desired properties (quantum-safe, two-regular, collision-resistant). We then prove the security in the Quantum-Honest-But-Curious setting and briefly discuss the extension to the malicious case.

研究动机与目标

• 使经典客户端仅通过经典通信信道安全地委托量子计算。
• 解决在委托式量子协议中保护量子态描述机密性的问题。
• 设计一种协议，确保准备的量子比特的经典描述对除客户端外的所有参与方均不可知，即使量子服务器也无法获知。
• 实现仅通过客户端与服务器之间的经典交互即可完成的可验证、盲态量子计算。
• 基于学习错误问题（LWE）提供一种量子安全的解决方案，以实现安全的委托计算。

提出的方法

• 定义PSRQG功能，使经典客户端能够指令远程服务器准备随机量子比特，且其经典描述对除客户端外的所有参与方均不可见。
• 协议QFactory利用学习错误问题（LWE）构建具有量子安全、两重正则和抗碰撞特性的陷门单向函数。
• 客户端使用该陷门函数生成随机量子比特的经典描述，这些描述对任何攻击者而言在计算上无法与真正随机值区分。
• 服务器根据经典描述准备量子比特，但由于陷门机制的存在，无法获知其实际值。
• 安全性在“量子诚实但好奇”（Quantum-Honest-But-Curious）模型下得到证明，即服务器遵循协议但可能试图推断信息。
• 通过额外的密码学技术，该构造可扩展至恶意攻击者模型，尽管此部分仅简要讨论。

实验结果

研究问题

• RQ1 经典客户端能否在不使用任何量子通信的情况下，安全地委托随机量子态的制备？
• RQ2 如何使量子态的经典描述对服务器及其他所有参与方保持计算秘密？
• RQ3 哪些密码学假设可确保伪秘密随机量子比特生成器的量子安全性和所需的功能属性？
• RQ4 此类功能能否实现仅通过经典信道的可验证、盲态通用量子计算？
• RQ5 将协议扩展至恶意对手的可行性与安全模型为何？

主要发现

• PSRQG功能使经典客户端能够在不使用量子通信的情况下，仅通过经典信道委托量子态制备。
• QFactory协议成功利用学习错误问题（LWE）实现了PSRQG，构建出具有量子安全、两重正则和抗碰撞特性的陷门单向函数。
• 安全性在“量子诚实但好奇”模型下得到形式化证明，确保服务器无法获知所制备量子比特的经典描述。
• 该协议实现了首个完全基于经典客户端、计算安全的可验证委托通用量子计算。
• 该构造可扩展至恶意攻击者模型，尽管该模型下的完整安全证明留待未来工作。