[论文解读] Secure Software Leasing

Prabhanjan Ananth, Rolando L. La Placa|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Cryptography and Data Security参考文献 58被引用 9

一句话总结

本文提出安全软件租赁（SSL），一种量子密码原语，使出租方可租赁代表经典电路的量子态，确保承租人在归还态后无法计算该函数。作者基于具体密码学假设，首次构建了针对一类隐蔽电路的可证明安全SSL方案，同时证明了对量子不可学习函数的不可能性结果。

ABSTRACT

Formulating cryptographic definitions to protect against software piracy is an important research direction that has not received much attention. Since natural definitions using classical cryptography are impossible to achieve (as classical programs can always be copied), this directs us towards using techniques from quantum computing. The seminal work of Aaronson [CCC'09] introduced the notion of quantum copy-protection precisely to address the problem of software anti-piracy. However, despite being one of the most important problems in quantum cryptography, there are no provably secure solutions of quantum copy-protection known for any class of functions. We formulate an alternative definition for tackling software piracy, called secure software leasing (SSL). While weaker than quantum copy-protection, SSL is still meaningful and has interesting applications in software anti-piracy. We present a construction of SSL for a subclass of evasive circuits (that includes natural implementations of point functions, conjunctions with wild cards, and affine testers) based on concrete cryptographic assumptions. Our construction is the first provably secure solution, based on concrete cryptographic assumptions, for software anti-piracy. To complement our positive result, we show, based on cryptographic assumptions, that there is a class of quantum unlearnable functions for which SSL does not exist. In particular, our impossibility result also rules out quantum copy-protection [Aaronson CCC'09] for an arbitrary class of quantum unlearnable functions; resolving an important open problem on the possibility of constructing copy-protection for arbitrary quantum unlearnable circuits.

研究动机与目标

• 为应对软件盗版问题，提出一种弱化但实用的量子拷贝保护替代方案。
• 形式化一种新的密码原语——安全软件租赁（SSL），确保被撤销的软件态在租期结束后无法被重用。
• 基于具体密码学假设，为隐蔽电路的一个子类构建首个可证明安全的SSL方案。
• 通过证明SSL对某些类别的量子不可学习函数不可能，确立基本限制。
• 解决一个开放问题：任意量子不可学习电路是否可能实现量子拷贝保护。

提出的方法

• 作者定义了一个四参与方便于量子多项式时间的协议：Gen、出租方、运行和验证，确保租期到期后仍具备正确功能与安全性。
• 他们利用量子输入隐藏混淆（qIHO）、量子非交互式零知识（qNIZK）以及量子安全伪随机函数（qPRF）构建SSL。
• 该方案依赖于量子安全的公共参考字符串（CRS）和q-模拟可提取的NIZK，以确保正确性与模拟安全性。
• 安全证明通过一系列混合实验进行，表明在q-模拟可提取性假设下，诚实证明与模拟证明不可区分。
• 他们使用q-输入隐藏混淆方案，确保从量子态无法学习到混淆电路。
• 最终的安全归约表明，任何对SSL的成功攻击都将导致对底层密码学假设的破解，包括q-模拟可提取NIZK和qIHO。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具体密码学假设下，为有意义的函数类构建一个可证明安全的软件租赁方案？
• RQ2 安全软件租赁是否对所有函数类都可行，还是存在根本性限制？
• RQ3 SSL对某些函数类的不可能性是否意味着量子拷贝保护也存在类似限制？
• RQ4 能否利用量子技术防止软件盗版，而无需实现完整的量子拷贝保护？
• RQ5 实现安全软件租赁所需的最小密码学假设是什么？

主要发现

• 作者基于具体假设，首次为隐蔽电路的一个子类（包括点函数、带通配符的合取函数和仿射检测器）构建了可证明安全的SSL方案。
• 该方案依赖于量子安全伪随机函数、量子输入隐藏混淆以及q-模拟可提取的非交互式零知识证明。
• 通过混合论证证明了方案的安全性，表明任何破坏SSL的敌手均可被用于破坏底层密码学原原子。
• 本文证明，在标准密码学假设下，SSL对任何类别的量子不可学习函数均不可能实现。
• 该不可能性结果解决了开放问题，排除了对任意量子不可学习电路实现量子拷贝保护的可能性。
• 本工作明确界定了SSL可实现与即使使用量子技术也无法实现的界限。