[论文解读] Quantum cryptography -- an information theoretic security

Muhammad Nadeem|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 28被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种基于量子非局域关联的统一量子密码学框架，实现了多种协议下的信息论安全性。通过利用非局域量子资源，该框架在不依赖计算假设或不可能的原 primitive（如比特承诺）的前提下，实现了对量子和经典攻击的无条件安全，提供了机密性、绑定性、输入隐藏以及安全的信息拆分。

ABSTRACT

Methods of quantum mechanics promise information-theoretic security for various protocols in cryptography. However, impossibility of some cryptographic applications such as standard bit commitment, oblivious transfer, multiparty secure computations and ideal coin tossing in quantum regime leaves an obvious question on the completeness of quantum cryptography. Instead of using wide range of rules and techniques for a variety of cryptographic applications, we demonstrate here a unified structure for quantum cryptography based on quantum non-local correlations. The unified framework achieves same goals in information-theoretic way as classical cryptography does with computational hardness. To cover the broad range of cryptographic applications, we show that the framework (i) assures secrecy by providing encryption completely unintelligible to eavesdroppers, (ii) guarantees that input from distant parties is concealed unless they are willing to reveal, (iii) assures binding, (iv) allows splitting information between several parties securely and more generally, (v) evades both quantum and classical attacks from internal as well as external eavesdropping.

研究动机与目标

• 为解决量子密码学的不完备性，解决标准原 primitive（如比特承诺和无条件传输）的不可能性问题。
• 将多种密码学应用统一于一个基于量子非局域性的信息论框架之下。
• 提供对内部和外部窃听者（包括量子对手）均免疫的安全性。
• 用内在的量子关联替代经典密码学中的计算困难假设。
• 在不依赖未经证实的计算假设的前提下，确保机密性、绑定性、输入隐藏以及安全的多方信息拆分。

提出的方法

• 该框架基于量子非局域关联构建，使各方在无直接通信的情况下也能实现安全的信息交换。
• 通过使用纠缠量子态生成经典手段无法模拟的关联，利用不可信号传递原理确保安全性。
• 该方法确保任何窃听尝试都会因纠缠的单配性与非局域性而引入可检测的扰动。
• 通过将输入编码为非局域关联，使其在各方自愿披露前保持隐藏，从而实现输入隐藏。
• 通过将信息分布在非局域关联的子系统中，支持安全的多方计算，仅在合作时才暴露秘密。
• 通过依赖量子力学的基本原理而非计算复杂性，规避了量子和经典攻击。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过单一量子框架，将多种密码学协议统一于信息论安全性之下？
• RQ2 如何利用量子非局域关联替代计算困难性以实现安全密码学？
• RQ3 该框架能否在不依赖未经证实假设的前提下，确保绑定性和输入隐藏？
• RQ4 仅依靠量子非局域性，是否可能实现对内部和外部窃听者的安全防护？
• RQ5 该框架如何处理安全的信息拆分与多方计算？

主要发现

• 该框架仅使用量子非局域关联，即实现了广泛密码学应用的信息论安全性。
• 它提供了无条件的机密性，确保无论攻击者计算能力如何，均无法获得有用信息。
• 该方法确保输入仅在各方明确选择披露时才被揭示，从而保障隐私。
• 该框架对量子和经典攻击（包括内部对手）均具有安全性。
• 通过将安全性重新定义为非局域性，成功规避了标准原 primitive（如比特承诺和无条件传输）的不可能性。
• 该方法表明，非局域量子关联可作为完整且安全的密码学框架的基础资源。