[论文解读] Improving the Security of Quantum Protocols via Commit-and-Open

Ivan Damgaard, Serge Fehr+3 more|ArXiv.org|Feb 23, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 3被引用 22

一句话总结

本文提出一种通用编译器，通过将仅对‘几乎诚实’攻击者安全的两方量子协议转换为对任意计算能力受限的量子攻击者安全的协议，从而增强量子协议的安全性，如量子身份认证和无赖传输。该方法利用具有量子安全提取特性的计算承诺方案，在有界量子存储模型（BQSM）下保持安全性，并确保攻破协议需要同时具备大容量量子存储和高计算能力。

ABSTRACT

We consider two-party quantum protocols starting with a transmission of some random BB84 qubits followed by classical messages. We show a general "compiler" improving the security of such protocols: if the original protocol is secure against an "almost honest" adversary, then the compiled protocol is secure against an arbitrary computationally bounded (quantum) adversary. The compilation preserves the number of qubits sent and the number of rounds up to a constant factor. The compiler also preserves security in the bounded-quantum-storage model (BQSM), so if the original protocol was BQSM-secure, the compiled protocol can only be broken by an adversary who has large quantum memory and large computing power. This is in contrast to known BQSM-secure protocols, where security breaks down completely if the adversary has larger quantum memory than expected. We show how our technique can be applied to quantum identification and oblivious transfer protocols.

研究动机与目标

• 解决量子协议在面对延迟测量传输量子比特的攻击者时的脆弱性，此类攻击者可获得超出预期访问权限的过多信息。
• 开发一种通用方法，将仅对‘几乎诚实’鲍勃安全的协议升级为对任意计算能力受限的量子攻击者安全的协议。
• 在不显著增加量子比特或轮次复杂度的前提下，保持对不诚实爱丽丝的无条件安全性，同时提升对不诚实鲍勃的安全性。
• 确保即使攻击者超过假设的量子存储限制，协议在有界量子存储模型（BQSM）下依然安全，方法是要求攻破协议必须同时具备大容量量子存储和高计算能力。
• 通过结合计算假设与BQSM安全性，实现经典协议无法达到的混合安全性，从而支持量子协议的实际部署。

提出的方法

• 该编译器将原本仅对‘几乎诚实’鲍勃安全的两方量子协议，转换为对任意计算能力受限的量子攻击者安全的协议。
• 其依赖于一种具有量子安全提取特性的经典承诺方案，灵感源自Regev的密码系统，用于约束鲍勃在协议期间的行为。
• 使用公共参考字符串以简化并提高承诺方案的效率，实现常数轮次的编译。
• 协议保持量子比特数量和轮次数至多为常数倍，从而维持效率与实用性。
• 编译器整合了[DFSS07]中的技术，通过使用提取器消息认证码（MAC）来保护经典通信的认证，从而将安全性扩展至中间人攻击。
• 使用隐私放大和纠错码，确保提取的信息接近均匀分布，并与任何攻击者的知识保持独立。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种通用编译器，将量子协议的安全性从‘几乎诚实’攻击者提升至任意计算能力受限的量子攻击者？
• RQ2 当攻击者超过假设的量子存储限制时，如何在有界量子存储模型（BQSM）下保持或增强安全性？
• RQ3 能否通过计算假设实现混合安全性——即要求同时具备大容量量子存储和高计算能力——同时不牺牲对不诚实爱丽丝的无条件安全性？
• RQ4 该编译器在现有协议（如量子身份认证和无赖传输）上的适用范围有多大，同时又能多大程度上保持效率和轮次复杂度？
• RQ5 通过将承诺方案与提取器MAC结合，能否有效防御中间人攻击？这种组合是否支持密钥的重复使用？

主要发现

• 编译后的协议对任意计算能力受限的量子攻击者实现计算安全性，即使原始协议仅对‘几乎诚实’鲍勃提供保护。
• 有界量子存储模型（BQSM）下的安全性得以保持：协议仅在攻击者同时具备大容量量子存储和高计算能力时才不安全。
• 协议对不诚实爱丽丝保持无条件安全性，确保不会泄露超出预期的信息。
• 传输的量子比特数和轮次数保持在常数倍以内，使编译器高效且实用。
• 使用提取器MAC可实现经典认证中的密钥重复使用，从而实现对中间人攻击的长期防护。
• 在量子身份认证中，编译后的协议对冒充攻击和中间人攻击均安全，其安全性要求同时具备大容量量子存储和高计算开销。