Quantum Anonymous Transmissions

We consider the problem of hiding sender and receiver of classical and quantum bits (qubits), even if all physical transmissions can be monitored. We present a quantum protocol for sending and receiving classical bits anonymously, which is completely traceless: it successfully prevents later reconstruction of the sender. We show that this is not possible classically. It appears that entangled quantum states are uniquely suited for traceless anonymous transmissions. We then extend this protocol to send and receive qubits anonymously. In the process we introduce a new primitive called anonymous entanglement, which may be useful in other contexts as well.Comment: 18 pages, LaTeX. Substantially updated version. To appear at ASIACRYPT '0

On Security Notions for Multi-Party Computation

Die meisten Sicherheitsbegriffe, die heutzutage benutzt werden, stammen aus den 1980ern. Doch durch ein seitdem besseres Verständnis der Theorie stellt sich die Frage, ob sie nicht weiterentwickelt werden können. Ein begrenzender Faktor sind hierbei sogenannte Unmöglichkeitsbeweise, die mathematisch beweisen, welche Sicherheitsgarantien nicht erfüllt werden können. Diese liefern einen begrenzenden Faktor, ihre Aussage sollte jedoch nicht übertrieben werden. Der Beweis ist nur in seinem eigenen Setting gültig und deckt nur genau den einen Sicherheitsbegriff ab. Historisch haben sich die etablierten Sicherheitsbegriffe jedoch zu etwas deutlich schwächerem entwickelt, wodurch eine Lücke zwischen dem entstanden ist, was praktisch benutzt wird, und dem, was bekanntermaßen unmöglich ist. In dieser Promotion zeigen wir einige dieser Lücken auf und untersuchen Sicherheitsbegriffe, die mit Sicherer Mehrparteienberechnung (MPC) zusammenhängen, und die zwischen den Etablierten und den Unmöglichen liegen. Abbildung von Geschäftsmodellen und Gesetzlichen Regelungen in MPC. Mit Sicherer Mehrparteienberechnung (MPC) können Parteien eine Funktion über privaten Eingaben auf sichere Weise so berechnen, dass nichts über die Eingaben der anderen Parteien bekannt wird außer die Ausgabe der Funktion. Heutzutage hat MPC nur einen vergleichsweise geringen Mehraufwand im Vergleich zur direkten Berechnung. Und obwohl Datensparsamkeit in der Praxis belohnt wird, wird MPC kaum benutzt. Wir glauben dass einer der Gründe dafür, dass MPC in Praxis kaum benutzt wird, darin liegt, dass es Geschäftsmodelle und gesetzliche Regelungen ignoriert die eine gewisse Leakage der Daten benötigen, während allgemeines MPC auf fast-perfekte Privatsphäre hinarbeitet. Wir präsentieren einen neuen Baustein, der es Geschäften---die durch einen zentralen Operator repräsentiert werden---ermöglicht, effizient die gewünschte Menge an Leakage abzubilden, die benötigt wird, um das Geschäft aufrechtzuerhalten oder um gesetzliche Vorgaben zu erfüllen, während Nutzer anonym und ohne durch mehrere Interaktionen hinweg verlinkt werden können Daten sammeln. Wir modellieren die Anforderungen im Universal Composability (UC) Framework. Dadurch wird garantiert, dass die Sicherheitsgarantien unabhängig davon halten, welche Protokolle parallel ausgeführt werden. Trotz dieser starken Sicherheitsgarantien ist das Protokoll dabei effizient genug, um auf moderner Hardware ausgeführt zu werden, selbst wenn der Nutzer die Daten auf Smartphones mit beschränkter Rechenleistung sammeln. (Fetzer, Keller, Maier, Raiber, Rupp, Schwerdt, PETS 2022) Eine Instantiierung stärkerer Commitments. Mit einem Bit Commitment Schema kann sich ein Sender gegenüber eines Empfängers auf ein Bit festlegen, ohne das dabei zu offenbaren (hiding), aber auf eine Art die es dem Sender nicht erlaubt, den Empfänger später davon zu überzeugen, dass das Commitment auf ein anderes Bit festgelegt wurde (binding). In der Quantenwelt sind Commitments stark genug, um MPC zu konstruieren, weswegen es einen Anreiz gibt, Commitments so sicher wie möglich zu machen; jedoch sagen Unmöglichkeitsbeweise aus, dass beide Sicherheitsbegriffe -- hiding und binding -- gleichzeitig nicht bedingungslos halten können. Als Konsequenz weichen moderne Bit Commitment Schemas eine Sicherheitseigenschaft auf, die dann nur noch computationally halten, also auf Grundlage komplexitätstheoretischer Annahmen. Wir stellen das erste Bit Commitment Protokoll im Quantum Random Oracle Modle (QROM) vor, das bedingungslose Sicherheit für den Empfänger (binding) und langfristige Sicherheit für den Sender (hiding) bietet und das dabei keine Zusatzhardware benötigt. Unser Resultat basiert auf einer neuen Annahme über die Schwierigkeit, Quantenzustände über einen langen Zeitraum zu speichern. Langfristige Sicherheit modelliert technischen Fortschritt des Angreifers, da Transkripte, die heutzutage nicht effizient gebrochen werden können, in Zukunft vielleicht einfach extrahierbar sind, sobald schnellere Maschinen verfügbar sind. Wir beweisen die Sicherheit des Commitment Protokolls im QROM unter oben genannter Annahme und zeigen, dass eine Instantiierung im Standardmodell zu einem neuen Angriff auf die langfristige Hiding-Eigenschaft zulässt. (Döttling, Koch, Maier, Mechler, Müller, Müller-Quade, Tiepelt, IN EINREICHUNG) Undetectable Multi-Party Computation. Covert MPC ist eine Erweiterung von MPC, die nicht nur die Eingaben versteckt, sondern das gesamte Vorhandensein der Berechnung. Teilnehmer lernen nur dann die Ausgabe, wenn alle anderen Parteien das Protokoll ausgeführt haben und die Ausgabe für alle Parteien vorteilhaft ist. Anderenfalls lernen die Teilnehmer nichts, nicht mal, welche anderen Parteien versucht haben, an der Berechnung teilzunehmen. Ein einzelner Nichtteilnehmer kann unabsichtlich die gesamte Berechnung abbrechen. Daher stellt sich die Frage: können $N$ Teilnehmer eine Berechnung ausführen, während $K > N$ Parteien anwesend sind, und bei der die Ausgabe nur von den Eingaben der $N$ Teilnehmer abhängt, während die Identität der anderen Teilnehmer unter den anwesenden Parteien versteckt wird? Dies sollte insbesondere dann gelten, wenn die restlichen Parteien nicht wissen, dass eine Berechnung im Gang ist. Wir verknüpfen diese Frage mit der theoretischen Machbarkeit von Anonymen Whistleblowing, bei dem eine einzelne Partei versucht, eine Nachricht preiszugeben, ohne dabei die eigene Identität zu offenbaren und ohne dass sich die anderen Parteien auf irgendeine besondere Art verhalten müssen. Leider zeigen wir dass keine Primitive sowohl Korrektheit und Anonymität mit überwältigender Wahrscheinlichkeit im asymptotischen Setting erreichen kann, selbst unter sehr starken Annahmen. Jedoch konstruieren wir eine heuristische Instantiierung im Fine-Grained setting mit überwältigender Korrektheit und jeder beliebigen Ziel-Anonymität. Unsere Ergebnisse liefern starke Grundlagen für die Untersuchung der Möglichkeit von Anonymen Nachrichtentransfer durch authentifizierte Kanäle, ein faszinierendes Ziel von dem wir glauben, dass es von grundlegendem Interesse ist. (Agrikola, Couteau, Maier, TCC 2022

Cryptography for Bitcoin and friends

Numerous cryptographic extensions to Bitcoin have been proposed since Satoshi Nakamoto introduced the revolutionary design in 2008. However, only few proposals have been adopted in Bitcoin and other prevalent cryptocurrencies, whose resistance to fundamental changes has proven to grow with their success. In this dissertation, we introduce four cryptographic techniques that advance the functionality and privacy provided by Bitcoin and similar cryptocurrencies without requiring fundamental changes in their design: First, we realize smart contracts that disincentivize parties in distributed systems from making contradicting statements by penalizing such behavior by the loss of funds in a cryptocurrency. Second, we propose CoinShuffle++, a coin mixing protocol which improves the anonymity of cryptocurrency users by combining their transactions and thereby making it harder for observers to trace those transactions. The core of CoinShuffle++ is DiceMix, a novel and efficient protocol for broadcasting messages anonymously without the help of any trusted third-party anonymity proxies and in the presence of malicious participants. Third, we combine coin mixing with the existing idea to hide payment values in homomorphic commitments to obtain the ValueShuffle protocol, which enables us to overcome major obstacles to the practical deployment of coin mixing protocols. Fourth, we show how to prepare the aforementioned homomorphic commitments for a safe transition to post-quantum cryptography.Seit seiner revolutionären Erfindung durch Satoshi Nakamoto im Jahr 2008 wurden zahlreiche kryptographische Erweiterungen für Bitcoin vorgeschlagen. Gleichwohl wurden nur wenige Vorschläge in Bitcoin und andere weit verbreitete Kryptowährungen integriert, deren Resistenz gegen tiefgreifende Veränderungen augenscheinlich mit ihrer Verbreitung wächst. In dieser Dissertation schlagen wir vier kryptographische Verfahren vor, die die Funktionalität und die Datenschutzeigenschaften von Bitcoin und ähnlichen Kryptowährungen verbessern ohne deren Funktionsweise tiefgreifend verändern zu müssen. Erstens realisieren wir Smart Contracts, die es erlauben widersprüchliche Aussagen einer Vertragspartei mit dem Verlust von Kryptogeld zu bestrafen. Zweitens schlagen wir CoinShuffle++ vor, ein Mix-Protokoll, das die Anonymität von Benutzern verbessert, indem es ihre Transaktionen kombiniert und so deren Rückverfolgung erschwert. Sein Herzstück ist DiceMix, ein neues und effizientes Protokoll zur anonymen Veröffentlichung von Nachrichten ohne vertrauenswürdige Dritte und in der Präsenz von bösartigen Teilnehmern. Drittens kombinieren wir dieses Protokoll mit der existierenden Idee, Geldbeträge in Commitments zu verbergen, und erhalten so das ValueShuffle-Protokoll, das uns ermöglicht, große Hindernisse für den praktischen Einsatz von Mix-Protokollen zu überwinden. Viertens zeigen wir, wie die dabei benutzten Commitments für einen sicheren Übergang zu Post-Quanten-Kryptographie vorbereitet werden können

On Quantum Simulation-Soundness

Non-interactive zero-knowledge (NIZK) proof systems are a cornerstone of modern cryptography, but their security has received little attention in the quantum settings. Motivated by improving our understanding of this fundamental primitive against quantum adversaries, we propose a new definition of security against quantum adversary. Specifically, we define the notion of quantum simulation soundness (SS-NIZK), that allows the adversary to access the simulator in superposition. We show a separation between post-quantum and quantum security of SS-NIZK, and prove that both Sahai’s construction for SS-NIZK (in the CRS model) and the Fiat-Shamir transformation (in the QROM) can be made quantumly-simulation-sound. As an immediate application of our new notion, we prove the security of the Naor-Yung paradigm in the quantum settings, with respect to a strong quantum IND-CCA security notion. This provides the quantum analogue of the classical dual key approach to prove the security of encryption schemes. Along the way, we introduce a new notion of quantum-query advantage functions, which may be used as a general framework to show classical/quantum separation for other cryptographic primitives, and it may be of independent interest

Algorithmic Superactivation of Asymptotic Quantum Capacity of Zero-Capacity Quantum Channels

The superactivation of zero-capacity quantum channels makes it possible to use two zero-capacity quantum channels with a positive joint capacity for their output. Currently, we have no theoretical background to describe all possible combinations of superactive zero-capacity channels; hence, there may be many other possible combinations. In practice, to discover such superactive zero-capacity channel-pairs, we must analyze an extremely large set of possible quantum states, channel models, and channel probabilities. There is still no extremely efficient algorithmic tool for this purpose. This paper shows an efficient algorithmical method of finding such combinations. Our method can be a very valuable tool for improving the results of fault-tolerant quantum computation and possible communication techniques over very noisy quantum channels.Comment: 35 pages, 17 figures, Journal-ref: Information Sciences (Elsevier, 2012), presented in part at Quantum Information Processing 2012 (QIP2012), v2: minor changes, v3: published version; Information Sciences, Elsevier, ISSN: 0020-0255; 201

An Enhanced Architecture to Resolve Public-Key Cryptographic Issues in the Internet of Things (IoT), Employing Quantum Computing Supremacy

The Internet of Things (IoT) strongly influences the world economy; this emphasizes the importance of securing all four aspects of the IoT model: sensors, networks, cloud, and applications. Considering the significant value of public-key cryptography threats on IoT system confidentiality, it is vital to secure it. One of the potential candidates to assist in securing public key cryptography in IoT is quantum computing. Although the notion of IoT and quantum computing convergence is not new, it has been referenced in various works of literature and covered by many scholars. Quantum computing eliminates most of the challenges in IoT. This research provides a comprehensive introduction to the Internet of Things and quantum computing before moving on to public-key cryptography difficulties that may be encountered across the convergence of quantum computing and IoT. An enhanced architecture is then proposed for resolving these public-key cryptography challenges using SimuloQron to implement the BB84 protocol for quantum key distribution (QKD) and one-time pad (OTP). The proposed model prevents eavesdroppers from performing destructive operations in the communication channel and cyber side by preserving its state and protecting the public key using quantum cryptography and the BB84 protocol. A modified version is introduced for this IoT situation. A traditional cryptographic mechanism called 'one-time pad' (OTP) is employed in hybrid management