[论文解读] Multiparty quantum key agreement protocol secure against collusion attacks

Zhiwei Sun, Xiaoqiang Sun+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 20被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种新型多方量子密钥协议（MQKA），可抵御任意数量的 $ t < N $ 个不诚实参与者的共谋攻击。基于环状协议框架，引入一种广义机制，通过多轮纠缠态分发和基于异或（XOR）的密钥聚合，确保公平性，防止共谋方通过破坏密钥翻转阶段来预设最终密钥。

ABSTRACT

The fairness of a secure multi-party quantum key agreement (MQKA) protocol requires that all involved parties are entirely peer entities and can equally influence the outcome of the protocol to establish a shared key wherein no one can decide the shared key alone. However, it is found that parts of the existing MQKA protocols are sensitive to collusion attacks, i.e., some of the dishonest participants can collaborate to predetermine the final key without being detected. In this paper, a multi-party QKA protocol resisting collusion attacks is proposed. Different from previous QKA protocol resisting $N-1$ coconspirators or resisting $1$ coconspirators, we investigate the general circle-type MQKA protocol which can be secure against $t$ dishonest participants' cooperation. Here, $t &lt; N$. We hope the results of the presented paper will be helpful for further research on fair MQKA protocols.

研究动机与目标

• 解决现有多方量子密钥协议中因共谋参与者可预设最终共享密钥而导致的公平性漏洞。
• 通过将安全性推广至任意 $ t < N $ 个共谋者，克服先前MQKA协议仅能抵御1个或 $ N-1 $ 个共谋者的局限性。
• 确保任意 $ t $ 个不诚实参与者的子集无法控制或预测最终密钥结果，从而保持协议的对等公平性。
• 为在一般共谋威胁下构建公平MQKA协议提供可扩展且高效的框架。
• 通过正式分析并消除刘氏的两阶段共谋攻击（密钥窃取与密钥翻转），增强MQKA的安全模型。

提出的方法

• 采用环状MQKA架构，每个参与者准备纠缠量子比特序列：一部分保留在本地作为“本地量子比特序列”，另一部分作为“传输量子比特序列”发送。
• 实施多轮传输与编码：每个参与者测量其本地量子比特，并使用按位异或（XOR）操作将秘密密钥编码到返回的传输量子比特序列中。
• 使用探测粒子检测窃听，仅通过经典通信进行窃听检测（不用于密钥解码），从而提高效率。
• 引入广义协议结构，通过确保密钥翻转阶段在密钥窃取阶段完成后变得不可行，从而实现对 $ t $-共谋者的共谋抵抗。
• 应用模运算（$ oxplus $, $ oxminus $）管理 $ N $ 个参与者的环形网络中的索引与密钥聚合。
• 通过一轮完整循环后的分布式测量与聚合，计算所有个体密钥的异或（XOR）作为最终密钥。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种多方量子密钥协议，使其在 $ t < N $ 个共谋参与者存在时仍保持安全，而非仅限于 $ t=1 $ 或 $ t=N-1 $ 的情况？
• RQ2 如何防止共谋参与者通过两阶段共谋攻击（密钥窃取与密钥翻转）来预测或控制最终共享密钥？
• RQ3 对环状MQKA协议进行何种结构修改，可破坏密钥翻转阶段，从而消除共谋威胁？
• RQ4 所提出的协议如何在确保无单个参与者或群体主导密钥结果的同时维持公平性？
• RQ5 该广义协议的量子比特效率是多少？在相同安全约束下，与现有协议相比有何差异？

主要发现

• 所提出的协议对最多 $ t < N $ 个不诚实参与者的共谋攻击具有安全性，其中 $ t $ 可为小于总参与人数的任意数值。
• 协议通过确保密钥翻转阶段在密钥窃取阶段完成后变得不可行，从而防止共谋参与者翻转最终密钥。
• 当 $ t = 1 $ 时，协议退化为标准环状MQKA，已知对单个参与者攻击具有安全性。
• 当 $ t = N-1 $ 时，协议的量子比特效率为 $ rac{1}{( au + 1)N(N-1)} $，与刘等人协议的效率一致，证实其为该协议的广义化。
• 量子比特效率为 $ rac{1}{( au + 1)tN} $，其中 $ au $ 为探测粒子检测率，表明效率随 $ t $ 增大而降低，但仍具可扩展性。
• 协议通过确保所有诚实参与者对最终密钥的贡献相等，维持了公平性，且任意 $ t $ 个共谋者子集无法预设结果。