中国科大实现基于器件无关量子随机数信标的零知识证明

闲庭漫步 · 发表于 2023-11-7 19:11:58

中国科大实现基于器件无关量子随机数信标的零知识证明

近日，中国科学技术大学潘建伟、张强等与上海交通大学郁昱、清华大学马雄峰、南方科技大学范靖云等研究者合作，首次实现了一套以器件无关量子随机数产生器作为熵源，以后量子密码作为身份认证的随机数信标公共服务，将其应用到零知识证明（ZKP）领域中，消除了非交互式零知识证明（NIZKP）中实现真随机数的困难所带来的安全隐患，提高了NIZKP的安全性。相关成果于11月2日发表于国际学术期刊《美国国家科学院院刊（PNAS）》。

零知识证明（ZKP）是一种基本的密码学工具，允许互不信任的通信双方之间，一方向另一方证明某个命题的有效性，同时不泄露任何额外信息。非交互式零知识证明（NIZKP）是ZKP的一种最重要的变体，其特点是通信双方无需多次信息交换。由于其简单易行并且互相通信次数少，NIZKP广泛应用于数字签名、区块链和身份认证等领域。常用的NIZKP系统的安全性建立在生成可信的真随机数的假设之上，然而，实际应用中，由于真随机数生成器难以实现，通常会使用确定性的伪随机数算法来替代。此前已有研究指出，这种方法会产生潜在的安全隐患。

量子物理学的内禀随机性为解决这一安全隐患提供了全新方案。特别地，基于无漏洞贝尔不等式检验的器件无关量子随机数（DIQRNG）可以提供具有最高安全等级的真随机数，其安全性由量子力学基本原理保证，无需用户对量子设备进行任何先验表征或假设。研究团队于2018年在国际上首次实现可抵御量子攻击的DIQRNG [Nature562, 548 (2018)]，随后于2021年提升了随机数产生速度[Nature Physics17, 448 (2021);PRL126, 050503 (2021)]。

在该工作中，研究团队搭建了一个基于DIQRNG的信标公共服务系统，并利用该系统设计并实施了一种不依赖于真随机数假设的NIZKP方案。该随机数信标服务可以实时向公众广播生成的随机数。此外，为确保随机数在广播过程中的安全性，研究团队采用了可以抵御量子攻击的量子安全签名算法。随后，研究团队利用接收到的来自DIQRNG的随机数代替之前的伪随机数，构建并实验验证了更安全的NIZKP协议。

该研究工作首次将量子非局域性、量子安全算法和零知识证明三个不同的领域结合起来，大幅提升了零知识证明的安全性，其中构建的面向公众的随机数服务在密码学、彩票业和社会公益等领域有着重要的潜在应用。该量子随机数信标公共服务网址：[backcolor=transparent !important]https://randomnessbeacon.com。

该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省、上海市和山东省的支持。

论文链接：[backcolor=transparent !important]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2205463120

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）