[论文解读] New security notions and feasibility results for authentication of quantum data

Sumegha Garg, Henry Yuen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2016

Chaos-based Image/Signal Encryption参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新的量子认证安全框架，通过在认证成功时捕捉攻击者行为（包括密钥相关性）来强化现有定义。证明了使用3-通用哈希的Wegman-Carter MAC以及某些量子态认证协议满足此安全概念，从而实现信息论意义上的密钥重用和安全的量子密钥分发。

ABSTRACT

We give a new class of security definitions for authentication in the quantum setting. These definitions capture and strengthen existing definitions of security against quantum adversaries for both classical message authentication codes (MACs) and well as full quantum state authentication schemes. The main feature of our definitions is that they precisely characterize the effective behavior of any adversary when the authentication protocol accepts, including correlations with the key. Our definitions readily yield a host of desirable properties and interesting consequences; for example, our security definition for full quantum state authentication implies that the entire secret key can be re-used if the authentication protocol succeeds. Next, we present several protocols satisfying our security definitions. We show that the classical Wegman-Carter authentication scheme with 3-universal hashing is secure against superposition attacks, as well as adversaries with quantum side information. We then present conceptually simple constructions of full quantum state authentication. Finally, we prove a lifting theorem which shows that, as long as a protocol can securely authenticate the maximally entangled state, it can securely authenticate any state, even those that are entangled with the adversary. Thus, this shows that protocols satisfying a fairly weak form of authentication security automatically satisfy a stronger notion of security (in particular, the definition of Dupuis, et al (2012)).

研究动机与目标

• 解决现有量子认证安全定义的局限性，这些定义未能捕捉认证成功时攻击者的行为。
• 强化安全概念，纳入攻击者与密钥之间的相关性，确保对量子叠加攻击的鲁棒性。
• 建立在认证成功后可重用整个密钥的条件，这是关键的实际优势。
• 证明对最大纠缠态的安全认证意味着对所有量子态的安全认证，从而实现提升定理。
• 构建高效且概念简单的完整量子态认证协议，满足新的安全定义。

提出的方法

• 引入一种新的安全定义——'密钥泄露的完全认证'——以表征认证成功时攻击者的有效行为，包括与密钥的纠缠。
• 证明使用3-通用哈希的Wegman-Carter方案在面对叠加攻击和具有量子侧信息的攻击者时仍保持安全。
• 设计Auth-QFT-Auth方案，结合量子傅里叶变换与经典认证，实现密钥泄露的完全认证。
• 利用近似酉2-设计和8-设计构造在新定义下安全的量子态认证协议。
• 提出一个提升定理：若某协议能安全认证最大纠缠态，则其能安全认证所有量子态——即使这些态与攻击者纠缠。
• 采用混合论证和基于量子隐形传态的分析方法证明安全性，将问题简化为验证在最大纠缠态上的安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在更强的安全定义下，能否证明现有的经典MAC（如使用3-通用哈希的Wegman-Carter）对量子叠加攻击是安全的？
• RQ2 当认证协议成功时，即使攻击者具有量子侧信息，是否仍可实现密钥重用的完全认证？
• RQ3 在新安全框架下，对最大纠缠态的安全认证是否意味着对所有量子态的安全认证？
• RQ4 Auth-QFT-Auth构造能否推广至适用于任意安全的经典认证方案，而不仅限于Wegman-Carter？
• RQ5 是否存在自然的‘多次使用’安全定义，使得在特定条件下可重复使用密钥进行量子认证？

主要发现

• 使用3-通用哈希的Wegman-Carter MAC对叠加攻击和具有量子侧信息的攻击者均保持安全，满足新安全定义。
• 基于3-通用哈希的内层认证，Auth-QFT-Auth方案实现了密钥泄露的完全认证。
• 基于酉8-设计的方案实现了完全认证，且可通过近似酉设计实现去随机化分析。
• 证明了提升定理：若某协议能安全认证最大纠缠态，则其能安全认证所有量子态，即使这些态与攻击者纠缠。
• 新安全定义意味着在认证成功后可重用整个密钥，具有显著的实际优势。
• 协议的最终状态与由无偏置攻击者控制的理想状态ε-接近，证明了在[DNS12]定义下的ε-安全性。