[论文解读] On Best-Possible One-Time Programs

Aparna Gupte, Jiahui Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2026

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 0

一句话总结

本文证明不存在对于所有功能的 universal best-possible one-time compiler， 在 oracle 模型中引入 SEQ-secure testable OTPs，并提出有状态量子不可区分性混淆（stateful quantum indistinguishability obfuscation）作为通向最佳可测试 OTPs 的路径。

ABSTRACT

One-time programs (OTPs) aim to let a user evaluate a program on a single input while revealing nothing else. Classical OTPs require hardware assumptions, and even with quantum information, OTPs for deterministic functionalities remain impossible due to gentle-measurement attacks (Broadbent, Gutoski and Stebila, 2013). While recent works achieve positive results for certain randomized functionalities, the fundamental limits and the strongest achievable security notions remain poorly understood. In this paper, we ask for a "best-possible" OTP that achieves the strongest one-time security achievable by any OTP construction. We first show that a generic best-possible one-time compiler cannot exist, even for classical randomized functionalities (assuming lossy encryption schemes exist). Given this impossibility, we introduce a natural subclass of one-time compilers called "testable one-time program" compilers, which output quantum states augmented with reflection oracles for these program states. We show that best-possible testable OTP compilers are achievable by (1) formulating a generalized Single-Effective-Query (SEQ) simulation security notion for quantum channels and show that SEQ security implies best-possible testable one-time security, and (2) constructing SEQ-secure OTPs for all quantum functionalities in the classical oracle model. This yields the first OTP for arbitrary quantum channels beyond classical randomized functionalities. Finally, we propose stateful quantum indistinguishability obfuscation (stateful quantum iO) -- quantum state obfuscation for stateful quantum programs. We show that (1) stateful quantum iO implies best-possible testable OTPs and (2) stateful quantum iO is also achievable in the classical oracle model. These results identify stateful quantum iO as a promising approach towards best-possible testable OTPs.

研究动机与目标

• 为量子 OTPs 动机化并形式化最佳可能一次性程序的概念，确定是否存在通用的最佳可能编译器。
• 在标准加密假设（有损加密）下证明通用最佳可能 OTP 编译器的不可能性结果。
• 定义并发展 SEQ-secure 可测试 OTP，并展示 SEQ 安全性在 oracle 模型中的最佳可能可测试 OTP 安全性中的关系。
• 引入有状态量子不可区分性混淆（stateful quantum iO），并论证其对实现最佳可能可测试 OTP 的含义。
• 提出通过有状态量子混淆达到普通模型构造的途径，并讨论与经典 oracle 模型的关联。

提出的方法

• 定义最佳可能 OTP 并证明在有损加密假设（LWE 或群作用）下其不存在。
• 在经典 oracle 模型中为所有量子功能构造 SEQ-secure OTP。
• 证明 SEQ 安全性在可测试 OTP 类中意味着最佳可能可测试 OTP 安全性。
• 形式化有状态量子 iO 并证明其蕴含最佳可能可测试 OTP，在经典 oracle 模型中存在。
• 提供一个广义的 SEQ 框架，包含传统的 SEQ，并展示经典与量子接口的可互模拟性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一个泛用的最佳可能一次性编译器，适用于所有量子功能？
• RQ2 能否在受限的可测试 OTP 类中实现最佳可能安全性？
• RQ3 SEQ 安全性是否足以在量子功能上实现最佳可能可测试 OTP 安全性？
• RQ4 有状态量子不可区分混淆在实现最佳可能可测试 OTP 中扮演何种角色，是否能在 plain 模型中实现？
• RQ5 oracle 模型的结果与量子信道的一次性程序在 plain 模型中的构造之间有何关系？

主要发现

• 除非不存在有损加密方案（如 LWE），否则最佳可能一次性编译器对所有功能并不存在。
• 在经典 oracle 模型中，存在针对所有非基于 oracle 的量子功能的 SEQ-secure 一次性编译器。
• 任何 SEQ-secure 编译器相对于所有 oracle，在可测试一次性编译器中都是最佳可能的。
• 广义的 SEQ 框架表明 CSEQ 安全性是量子设定中 SEQ 安全性的一个特例。
• 有状态量子不可区分混淆（stateful quantum iO）意味着最佳可能可测试 OTP，并且在经典 oracle 模型中可实现。
• 提出有状态量子 iO 作为通往 plain 模型最佳可能可测试 OTP 的有前景路径，并且与有状态混淆的概念相关。