[论文解读] Quantum digital signature scheme

Muhammad Nadeem, Xiaolin Wang|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的量子数字签名方案，该方案用多方控制的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）通道替代了量子单向函数，实现了非局域相关联的量子签名，而非存储单独的量子态。该方案在无需长期量子存储的情况下，实现了对独立攻击的信息论安全性，为实现标准、安全的量子数字签名提供了实用路径。

ABSTRACT

Digital signatures are the building blocks of modern communication to prevent masquerading by any party other than recipients, repudiation by signatory and forgery by any individual recipient. Digital signature scheme is said to be standard if the signature (a) is a pattern depending upon the message to be signed, (b) is built upon some information publically known and unique to the signatory, (c) can be stored by all the recipients. While classical methods provide computational security only, quantum mechanics guarantees information-theoretically secure and standard digital signature schemes. However, standard quantum digital signature schemes are based on quantum one-way functions and hence require long term quantum memory for storing quantum signatures, which is not practically feasible yet. We demonstrate here a standard quantum digital signature scheme by replacing quantum one-way functions with multiparty controlled EPR channels. It allows signatory to generate non-locally correlated quantum signatures, instead of multiple copies of a unique quantum state, and assures security against any individual since others have non-locally correlated information.

研究动机与目标

• 解决标准量子数字签名方案中长期量子存储不切实际的问题。
• 开发一种安全的量子签名协议，同时保持三个标准特性：消息依赖性、公开唯一性和收件人可存储的签名。
• 用多方控制的EPR纠缠替代量子单向函数，以实现签名的非局域关联。
• 在不依赖计算假设的前提下，确保对独立攻击的信息论安全性。

提出的方法

• 该方案利用多方控制的EPR通道，在签署方与接收方之间生成非局域相关联的量子签名。
• 签名通过签署方与多个接收方共享的纠缠EPR态生成，确保任何单一参与方都无法持有完整副本。
• 协议通过在纠缠基下进行量子态制备与测量，将签名与消息及签署方身份绑定。
• 通过纠缠的单重性确保安全性，防止任何参与方在不被检测的情况下复制或伪造签名。
• 该方案通过分发仅可本地测量的纠缠态，避免存储单独的量子态，从而消除了对长期量子存储的需求。
• 使用受控的EPR通道可确保仅授权方能验证签名，而其他方仅能获得非局域关联的无用信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种不依赖量子单向函数和长期量子存储的标准量子数字签名方案？
• RQ2 如何利用EPR态中的非局域关联生成安全且可验证的量子签名？
• RQ3 是否能通过基于纠缠的协议实现对独立攻击的信息论安全性？
• RQ4 通过用基于EPR的控制机制替代量子单向函数，能否使签名生成过程在实际中可行？
• RQ5 多方控制的EPR通道的使用如何影响签名验证过程的安全性与完整性？

主要发现

• 所提出的方案通过使用多方控制的EPR通道替代存储单独的量子态，消除了对长期量子存储的需求。
• 由于纠缠的单重性，该方案对独立攻击实现了信息论安全性，防止未经授权方获取有用信息。
• 签名是非局域关联的，意味着任何单一接收方或窃听者都无法仅凭部分信息重构完整签名。
• 该协议保持了数字签名的三个标准特性：消息依赖性、公开唯一性和所有接收方的可验证性。
• 使用EPR通道使得签署方能够生成一个单一的纠缠态，作为共享的签名资源，从而降低资源开销。
• 该方案对伪造和否认具有鲁棒性，因为任何对签名的篡改或复制尝试都会因量子测量坍缩而被检测到。