[论文解读] Quantum non-locality, causality and mistrustful cryptography

Muhammad Nadeem|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2014

Quantum Mechanics and Applications参考文献 47被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于量子非定域性和因果关系的相对论性量子密码学框架，实现了无条件安全的不信任型密码学。通过在因果独立系统之间结合纠缠交换与量子隐形传态，该框架实现了确定性、无偏差的抛币协议，无条件安全的位承诺，以及一种新型的、隐藏数据与位置的无条件传送协议，解决了量子密码学中长期存在的开放性问题。

ABSTRACT

Here we propose a general relativistic quantum framework for cryptography that exploits the fascinating connection of quantum non-locality and special theory of relativity with cryptography. The underlying principle of unconditional security is causality and two-fold quantum non-local correlations: first entanglement swapping and then teleportation over causally independent entangled systems. We show that the proposed framework has following remarkable and novel features in mistrustful cryptography: (i) It helps in defining a new notion of oblivious transfer where both the data transferred and the transfer position remains oblivious. (ii) The authenticity and integrity of the data transferred is guaranteed by the fundamental principles of quantum theory instead of computational complexity. (iii) It directly leads to unconditionally secure and deterministic two-sided two-party computation which is currently considered to be impossible. (iv) the proposed framework turns out to be asynchronous ideal coin tossing with zero bias which has not been achieved previously. (v) The same framework also implies unconditionally secure bit commitment. Finally, the combination of quantum non-locality and theory of relativity as discussed here can easily be generalized to multiparty setting that could be used to solve other mistrustful cryptographic tasks such as secret sharing and key agreement securely.

研究动机与目标

• 为解决在不信任环境下实现无条件安全两方计算这一长期挑战。
• 解决在量子密码学中实现确定性、无偏差抛币协议的不可能性问题。
• 开发一种新型的无条件传送协议，其中数据和传送位置对双方均保持隐藏。
• 基于量子基础理论而非计算假设，提供信息论安全性。
• 将该框架推广至多方密码学任务，如秘密共享与密钥协议。

提出的方法

• 通过在因果独立系统之间进行纠缠交换，利用量子非定域性。
• 利用量子隐形传态在时空间隔开的位置之间传输量子态。
• 依赖相对论因果性以确保不可 signaling 性，防止超光速通信。
• 构建一种协议，其中测量事件在时空中彼此分离，以确保双方之间无因果影响。
• 整合量子力学与狭义相对论的原理，从基本物理定律出发强制实现安全性。
• 设计的协议从构造上即为确定性且无偏差，避免了先前方法中常见的概率性结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将量子非定域性与相对论结合，以实现无条件安全的两方计算？
• RQ2 能否利用量子与相对论原理构建一种确定性、零偏差的抛币协议？
• RQ3 能否定义一种新型的无条件传送协议，使得双方均无法知晓被传送的数据和传送位置？
• RQ4 如何在不依赖计算困难性假设的前提下，保证信息论安全性？
• RQ5 该框架能否扩展至多方密码学任务，如秘密共享与密钥协议？

主要发现

• 该框架实现了无条件安全且确定性的双向两方计算，此前被认为不可能实现。
• 实现了新型的无条件传送协议，其中被传送的数据和传送位置对双方均保持未知。
• 该协议实现了异步理想抛币，偏差为零，这是此前在量子密码学中无法实现的结果。
• 通过量子理论原理保证了传输数据的真实性与完整性，而非依赖计算复杂性。
• 该框架自然可扩展至多方场景，支持安全的秘密共享与密钥协议。
• 在所提出的框架下，位承诺具有无条件安全性，解决了长期存在的开放性问题。