[论文解读] Why quantum bit commitment and ideal quantum coin tossing are impossible

Hoi‐Kwong Lo, H. F. Chau|ArXiv.org|May 16, 1996

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 7

一句话总结

本文证明了由于发送方爱丽丝实施的EPR型攻击，量子比特承诺和理想量子抛币从根本上是不可能的，她可以通过延迟测量并以确定性方式欺骗。作者表明，如果发送方拥有量子计算机并能无限期存储量子态，则任何现实的量子协议在这些原 primitive 上均不安全。

ABSTRACT

There had been well known claims of ``provably unbreakable'' quantum protocols for bit commitment and coin tossing. However, we, and independently Mayers, showed that all proposed quantum bit commitment (and therefore coin tossing) schemes are, in principle, insecure because the sender, Alice, can always cheat successfully by using an EPR-type of attack and delaying her measurements. One might wonder if secure quantum bit commitment and coin tossing protocols exist at all. Here we prove that an EPR-type of attack by Alice will, in principle, break {\em any} realistic quantum bit commitment and {\em ideal} coin tossing scheme. Therefore, provided that Alice has a quantum computer and is capable of storing quantum signals for an arbitrary length of time, all those schemes are insecure. Since bit commitment and coin tossing are useful primitives for building up more sophisticated protocols such as zero-knowledge proofs, our results cast very serious doubt on the security of quantum cryptography in the so-called ``post-cold-war'' applications.

研究动机与目标

• 研究量子比特承诺和理想量子抛币协议的安全性。
• 识别所提出的“可证明不可破”的量子协议中的漏洞。
• 证明发送方的EPR型攻击可始终破坏任何此类协议。
• 确立量子计算机和长期量子态存储使这些协议在原则上不安全。
• 挑战零知识证明等复杂协议中量子密码学的基础安全假设。

提出的方法

• 使用量子信息理论分析量子比特承诺和抛币协议的结构。
• 应用发送方爱丽丝实施的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）型纠缠攻击。
• 建模发送方延迟对纠缠量子比特进行测量的能力，以操纵协议结果。
• 利用量子态操控和纠缠交换技术，展示发送方如何控制最终结果。
• 修订并强化原始证明，以修正一个关键错误，并正确引用梅耶斯的相关工作。
• 通过证明在现实假设下，任何协议均易受此类攻击，从而建立一个普遍的不可能性结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在任何量子比特承诺协议，能抵御具备量子计算能力的作弊发送方？
• RQ2 若发送方可无限期存储量子态，理想量子抛币是否可能实现？
• RQ3 量子比特承诺和抛币协议不安全的根本原因是什么？
• RQ4 EPR型攻击如何使发送方在这些协议中以确定性方式欺骗？
• RQ5 这些结果在多大程度上动摇了量子密码学在高级协议中的安全性？

主要发现

• 若发送方可实施EPR型攻击，则所有提出的量子比特承诺和理想量子抛币协议均不安全。
• 发送方爱丽丝可通过纠缠其量子比特并延迟测量至承诺阶段，始终成功欺骗。
• 只要发送方拥有量子计算机并能无限期存储量子态，该不可能性结果适用于任何现实的量子协议。
• 原始证明中存在一个关键错误，已在修订版本中修正，以正确反映梅耶斯的工作。
• 研究结果表明，量子密码学在后冷战时期应用（如零知识证明）中的安全性无法通过这些原 primitive 保证。
• EPR攻击是量子比特承诺和理想抛币安全性的普遍且根本性的威胁，使它们在原则上不可能实现。