[论文解读] Uncloneable Quantum Encryption via Random Oracles

Anne Broadbent, Sébastien Lord|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 5

一句话总结

本文引入了不可克隆量子加密，这是一种新颖的密码学原原子，可防止两个处于隔离状态且相互协作的攻击者联合恢复经典加密的消息——即使加密密钥被公开也是如此。通过结合威斯纳的共轭编码与作为量子随机预言机建模的量子安全伪随机函数，该方案实现了基于量子纠缠独占性原理的信息论安全性。

ABSTRACT

Quantum information is well-known to achieve cryptographic feats that are unattainable using classical information alone. Here, we add to this repertoire by introducing a new cryptographic functionality called uncloneable encryption. This functionality allows the encryption of a classical message such that two collaborating but isolated adversaries are prevented from simultaneously recovering the message, even when the encryption key is revealed. Clearly, such functionality is unattainable using classical information alone. We formally define uncloneable encryption, and show how to achieve it using Wiesner's conjugate coding, combined with a quantum-secure pseudorandom function (qPRF). Modelling the qPRF as a quantum random oracle, we show security by adapting techniques from the quantum one-way-to-hiding lemma, as well as using bounds from quantum monogamy-of-entanglement games.

研究动机与目标

• 形式化一种新的密码学原原子——不可克隆加密，使得两个处于隔离状态的攻击者即使在获得加密密钥的情况下也无法联合恢复消息。
• 证明仅靠经典信息无法实现此功能，凸显量子信息在密码学中的独特优势。
• 利用威斯纳的共轭编码和量子安全伪随机函数（qPRF）构建不可克隆加密的安全实例化方案。
• 通过适配量子单向性到隐藏性技术并利用纠缠独占性边界，于量子随机预言机模型下建立安全性。
• 通过利用量子纠缠共享的基本限制，证明即使攻击者共享纠缠态，该方案仍保持安全。

提出的方法

• 利用威斯纳的共轭编码，通过互为正交基的基来将经典消息编码为量子态。
• 使用量子安全伪随机函数（qPRF）作为量子随机预言机，生成依赖密钥的编码模式。
• 将qPRF建模为量子随机预言机，以支持基于量子查询复杂度技术的安全性证明。
• 应用量子单向性到隐藏性引理，将qPRF的安全性转化为对 chosen-plaintext 攻击的不可区分性。
• 利用量子纠缠独占性游戏的边界，防止两个共享纠缠的隔离攻击者联合恢复消息。
• 将上述组件整合为完整的加密方案，其中密文为一个量子态，解密需正确密钥。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种密码学方案，使得两个处于隔离状态的攻击者即使在密钥被公开的情况下也无法联合恢复经典加密的消息？
• RQ2 可使用哪些量子信息论原理来在加密方案中强制实现不可克隆性？
• RQ3 如何将量子安全伪随机函数与共轭编码结合，以实现不可克隆加密？
• RQ4 该方案的安全性在多大程度上依赖于量子系统中的纠缠独占性？
• RQ5 不可克隆加密的安全性能否在量子随机预言机模型中被形式化证明？

主要发现

• 本文成功定义并构建了一种新的密码学原原子——不可克隆加密，该原原子仅靠经典信息无法实现。
• 该方案对两个处于隔离状态的攻击者实现了信息论安全性，即使他们共享纠缠态且获得了加密密钥。
• 通过将量子单向性到隐藏性引理适配到共轭编码的语境中，于量子随机预言机模型下证明了安全性。
• 利用量子纠缠独占性边界，确保没有任何两个参与方能同时完全掌握加密消息。
• 该构造基于威斯纳的共轭编码和量子安全伪随机函数，提供了实用且可形式化证明安全的实例化方案。
• 结果表明，量子信息可实现经典系统无法达到的密码学功能，特别是在限制加密数据的联合恢复方面。