[论文解读] Fully general device-independence for two-party cryptography and position verification

Jérémy Ribeiro, Gláucia Murta+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本论文提出了一种完全通用的设备无关模型，用于在噪声存储设置下实现双参与方密码学与位置验证，证明了即使设备具有任意量子存储、状态和测量方式，系统依然安全。通过利用改进的熵累积定理，作者表明基于CHSH贝尔测试的协议在任意违反CHSH不等式的情况下均能实现安全，且违反程度越高，所需协议轮次越少。

ABSTRACT

Device-independent quantum cryptography allows security even if the devices used to execute the protocol are untrusted - whether this is due to unknown imperfections in the implementation, or because the adversary himself constructed them to subvert the security of the protocol. While device-independence has seen much attention in the domain of quantum key distribution, relatively little is known for general protocols. Here we introduce a new model for device-independence for two-party protocols and position verification in the noisy-storage model. For the first time, we show that such protocols are secure in the most general device-independent model in which the devices may have arbitrary memory, states and measurements. In our analysis, we make use of a slight modification of a beautiful new tool developed in [arXiv:1607.01796] called "Entropy Accumulation Theorem". What's more, the protocols we analyze use only simple preparations and measurements, and can be realized using any experimental setup able to perform a CHSH Bell test. Specifically, security can be attained for any violation of the CHSH inequality, where a higher violation merely leads to a reduction in the amount of rounds required to execute the protocol.

研究动机与目标

• 建立一个通用的设备无关框架，用于双参与方协议与位置验证，即使设备不可信或被敌意构造，系统依然安全。
• 解决设备无关量子协议在量子密钥分发之外缺乏安全保证的问题。
• 通过仅使用基本量子操作——准备与测量——实现实际应用，兼容任何能够执行CHSH贝尔测试的系统。
• 证明对于任意水平的CHSH不等式违反，安全均可实现，且随着违反程度增加，性能提升。

提出的方法

• 采用[arXiv:1607.01796]中改进的熵累积定理，分析设备行为中不确定性的累积。
• 将设备建模为具有任意量子存储、状态与测量方式，确保框架的完全通用性。
• 设计仅依赖于在CHSH贝尔测试配置中准备与测量纠缠态的协议。
• 将CHSH不等式的违反程度作为安全参数，违反程度越高，安全越强，所需轮次越少。
• 制定在噪声存储模型下成立的安全证明，考虑敌方潜在的量子存储限制。
• 确保协议即使在设备实现缺陷或敌意设计下依然安全。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对设备行为做出最一般假设的前提下，能否实现双参与方协议与位置验证的设备无关安全？
• RQ2 当设备具有任意量子存储、状态与测量方式时，如何保证安全？
• RQ3 CHSH贝尔测试的违反程度在决定设备无关协议的效率与安全性方面起什么作用？
• RQ4 能否仅使用如态制备与测量等基本量子操作，构建实用协议？
• RQ5 CHSH不等式违反程度如何影响协议执行所需的轮次？

主要发现

• 所提出的协议即使在设备不可信或被恶意构造的情况下，也能实现设备无关安全，且对其内部量子操作无任何限制。
• 对CHSH不等式的任意违反均能保证安全，展现出在广泛实验实现中的鲁棒性。
• 更高的CHSH不等式违反程度可减少协议所需轮次，提升效率。
• 该框架完全通用，可支持任意设备行为，包括未知或敌意实现。
• 使用改进的熵累积定理，可在最小假设下实现严谨的安全分析。
• 协议可通过仅使用标准量子操作实现，与任何CHSH贝尔测试系统兼容。