Robust and leakage-resilient device-independent oblivious transfer in MiniQCryp
在假设后量子单向函数的条件下，本文提出了一种鲁棒且具备泄漏抗性的框架，用于实现设备无关的不经意传输和比特承诺，该框架使得仅通过受信任的经典计算即可控制不受信任的量子设备，从而实现安全多方计算，即便在存在任意纠缠、非独立同分布（non-IID）行为以及自适应泄漏的情况下亦是如此。
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在密码学领域，目标通常是在参与者无法完全信任的情况下保护秘密的安全。两种最基本的工具是“比特承诺”（bit commitment）和“不经意传输”（oblivious transfer）。比特承诺就像一个数字保险箱：一个人将秘密放入其中，锁上并把钥匙交给另一个人，在不泄露秘密内容的情况下证明秘密确实存在。稍后，他们可以打开保险箱，以展示秘密一直都在那里。不经意传输是一种稍微复杂一点的交换过程，其中一个人持有两个秘密，而另一个人选择仅获取其中之一，且第一个人不知道选择了哪一个，同时第二个人也不会获知关于另一个秘密的任何信息。几十年来，构建这些工具的安全性的基础在于需要信任物理硬件——激光器、探测器和计算机——正按照其宣称的方式工作。如果设备出现故障或被不诚实的供应商篡改，整个安全保证可能会崩溃。
对完美硬件的这种依赖是一个主要的弱点。在现实场景中，设备可能是嘈杂的、不完美的，甚至是被秘密设计用来泄露信息的。一种被称为“设备无关”（device-independent）密码学的新方法试图通过完全消除对硬件信任的需求来解决这个问题。用户不再检查设备是否工作正常，而是仅仅观察设备给出的答案模式。如果答案遵循一种特定的、无法伪造的模式，用户就可以在数学上确定一次安全的交换已经发生，无论设备内部实际在做什么。然而，以往在构建如不经意传输这类复杂任务的尝试中遇到了障碍：它们要么要求设备彼此完全隔离，要么假设设备是无瑕疵的，或者无法证明其对于强大的量子计算机的安全性。
一组研究人员现在填补了这一空白。他们构建了一种新方法，允许使用不可信、有缺陷且可能存在泄露的量子设备进行安全的不经意传输和比特承诺，该方法仅依赖于被称为“单向函数”的某些数学函数的存在。他们的工作证明，即使设备是有噪声的，只要它被允许泄露极小量且受限的信息，并且用户仅信任他们自己的经典计算机，他们仍然可以执行这些密码任务，并获得足以抵御任何量子计算机攻击者的安全性水平。研究人员不仅提出了这是可能的，还提供了一套完整的、分步骤的构建方案以及一个证明其有效的严密的数学证明。
他们成就的核心在于如何处理现实世界的缺陷。在他们的系统中，两个参与方（我们称之为爱丽丝和鲍勃）使用不可信的设备来玩一个基于名为“魔方”（Magic Square）的谜题的游戏。在这个游戏中，爱丽丝和鲍勃接收问题并必须提供满足特定一致性规则的答案。如果他们经常赢得游戏，就证明他们正在共享一种无法伪造的秘密相关性。研究人员设计了一个协议，让爱丽丝和鲍勃并行多次进行这个游戏。然后他们使用一种巧妙的过滤过程：他们检查一小部分随机抽样的答案，以确保设备行为正确。如果样本通过检查，他们则利用剩余的答案来生成用于传输的秘密密钥。
这项工作的关键创新在于他们如何处理“泄露”。在真实的实验室中，一个不诚实的供应商可能会在设备中内置一个隐藏通道，允许设备向外界窃窃私语。以前的理论假设这些设备是完全隔离的。新的协议接受了某些泄露可能会发生的事实，但设定了一个严格的预算。设备被允许在单轮游戏中交换有限数量的信息，以量子比特为单位。研究人员证明，只要这种泄露保持在该预算之内，系统的安全性就会保持完好。他们表明，即使设备以复杂的方式纠缠在一起，且攻击者试图对它们进行联合测量，攻击者能窃取的信息量在数学上也是受限的，不足以破解代码。
研究人员还解决了“故障”问题。现实中的设备会犯错；它们可能会误读问题或由于噪声输出错误答案。一个要求完美答案的协议会在真实的实验室中立即失败。该构造是鲁棒的，这意味着它可以容忍一定比例的诚实错误。它使用纠错码来协调爱丽丝和鲍勃原本打算做的操作与他们嘈杂的设备实际执行的操作之间的差异。这使得系统即使在硬件不完美的情况下也能正常运行，而这一特性在以往能够处理泄露的设备无关协议中是缺失的。
该构造根据环境有两种不同的模式。在第一种模式下，如果设备是完全隔离的，且接收方的设备对游戏的每个部分进行单独测量，则系统可以容忍更高的故障率。在第二种更通用的模式下，系统允许任意的联合测量以及实验室之间的有限泄露。在这种更灵活的设置下，系统仍然可以工作，尽管它需要更多的游戏轮数来维持相同的安全性水平。在两种情况下，随着安全等级的提高，所需的总资源（时间、通信和设备使用）都以可控的速率增长，这使得该协议具有实际应用性。
这项工作的意义不仅限于发送单个秘密。由于不经意传输是所有安全计算的基础构建模块，这一新协议实际上解锁了在双方仅信任各自经典计算机的情况下进行任何安全计算的能力。无论是两家公司在不泄露数据的前提下对比数据库，还是一个群体进行安全的投票，研究人员都展示了他们的方法可以扩展到处理这些复杂的、多方参与的场景。即使部分参与者被腐蚀，或者他们使用的设备与对手共享，安全性依然成立。
使这一结果特别显著的是，它消除了对“可信量子硬件”的需求。在之前的方案中，用户必须相信制造激光器和探测器的过程是正确的，或者没有被篡改。在这个新的框架下，安全性完全来自于观察到的游戏统计数据和物理定律，并通过经典计算进行验证。研究人员证明，设备可以被视为黑盒；只要它们产生正确的关联，协议就是安全的。这把信任的负担从物理供应链转移到了协议本身的数学结构上。
研究人员还解决了“模拟”问题，这是证明安全性的金标准。他们表明，对于对手可能发起的任何攻击，都存在一个模拟器可以使用理想的、理论版本的协议产生完全相同的结果。这意味着，无论攻击者从真实、混乱的世界中学习到什么，他们都能在完美的、理论的世界中同样轻松地学到。既然理论世界已知是安全的，那么现实世界也必然是安全的。这一证明对于任何受限于量子力学定律的攻击者都有效，确保了该系统具备面向未来的抗量子能力。
总之，这项工作代表了追求真正安全通信进程中的重大进步。它将设备无关密码学的理论概念落实到了一个设备存在噪声、隔离且可能被破坏的现实世界中。通过结合鲁棒的纠错策略和对信息泄露的严格核算，研究人员创建了一个既实用又在理论上可证明安全的协议。他们表明，我们不需要等待完美的量子硬件来构建安全的未来；我们可以现在就利用现有的不完美工具，依靠数学不可动摇的逻辑和量子力学奇特而强大的相关性，来构建我们的未来。
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