Assumptions, Efficiency and Trust in Non-Interactive Zero-Knowledge Proofs

Vi lever i en digital verden. En betydelig del av livene våre skjer på nettet, og vi bruker internett for stadig flere formål og er avhengig av stadig mer avansert teknologi. Det er derfor viktig å beskytte seg mot ondsinnede aktører som kan forsøke å utnytte denne avhengigheten for egen vinning. Kryptografi er en sentral del av svaret på hvordan man kan beskytte internettbrukere. Historisk sett har kryptografi hovedsakelig vært opptatt av konfidensiell kommunikasjon, altså at ingen kan lese private meldinger sendt mellom to personer. I de siste tiårene har kryptografi blitt mer opptatt av å lage protokoller som garanterer personvern selv om man kan gjennomføre komplekse handlinger. Et viktig kryptografisk verktøy for å sikre at disse protokollene faktisk følges er kunnskapsløse bevis. Et kunnskapsløst bevis er en prosess hvor to parter, en bevisfører og en attestant, utveksler meldinger for å overbevise attestanten om at bevisføreren fulgte protokollen riktig (hvis dette faktisk er tilfelle) uten å avsløre privat informasjon til attestanten. For de fleste anvendelser er det ønskelig å lage et ikke-interaktivt kunnskapsløst bevis (IIK-bevis), der bevisføreren kun sender én melding til attestanten. IIK-bevis har en rekke ulike bruksområder, som gjør de til attraktive studieobjekter. Et IIK-bevis har en rekke ulike egenskaper og forbedring av noen av disse fremmer vår kollektive kryptografiske kunnskap. I den første artikkelen i denne avhandlingen konstruerer vi et nytt ikke-interaktivt kunnskapsløst bevis for språk basert på algebraiske mengder. Denne artikkelen er basert på arbeid av Couteau og Hartmann (Crypto 2020), som viste hvordan man omformer et bestemt interaktivt kunnskapsløst bevis til et IIK-bevis. Vi følger deres tilnærming, men vi bruker et annet interaktivt kunnskapsløst bevis. Dette fører til en forbedring sammenlignet med arbeidet deres på flere områder, spesielt når det gjelder både formodninger og effektivitet. I den andre artikkelen i denne avhandlingen studerer vi egenskapene til ikke-interaktive kunnskapsløse bevis som er motstandsdyktige mot undergraving. Det er umulig å lage et IIK-bevis uten å stole på en felles referansestreng (FRS) generert av en pålitelig tredjepart. Men det finnes eksempler på IIK-bevis der ingen lærer noe privat informasjon fra beviset selv om den felles referansestrengen ble skapt på en uredelig måte. I denne artikkelen lager vi en ny kryptografisk primitiv (verifiserbart-uttrekkbare enveisfunksjoner) og viser hvordan denne primitiven er relatert til IIK-bevis med den ovennevnte egenskapen.We live in a digital world. A significant part of our lives happens online, and we use the internet for incredibly many different purposes and we rely on increasingly advanced technology. It therefore is important to protect against malicious actors who may try to exploit this reliance for their own gain. Cryptography is a key part of the answer to protecting internet users. Historically, cryptography has mainly been focused on maintaining the confidentiality of communication, ensuring that no one can read private messages sent between people. In recent decades, cryptography has become concerned with creating protocols which guarantee privacy even as they support more complex actions. A crucial cryptographic tool to ensure that these protocols are indeed followed is the zero-knowledge proof. A zero-knowledge proof is a process where two parties, a prover and a verifier, exchange messages to convince the verifier that the prover followed the protocol correctly (if indeed the prover did so) without revealing any private information to the verifier. It is often desirable to create a non-interactive zero-knowledge proof (NIZK), where the prover only sends one message to the verifier. NIZKs have found a number of different applications, which makes them an attractive object of study. A NIZK has a variety of different properties, and improving any of these aspects advances our collective cryptographic knowledge. In the first paper in this thesis, we construct a new non-interactive zero-knowledge proof for languages based on algebraic sets. This paper is based on work by Couteau and Hartmann (Crypto 2020), which showed how to convert a particular interactive zero-knowledge proof to a NIZK. We follow their approach, but we start with a different interactive zero-knowledge proof. This leads to an improvement compared to their work in several ways, in particular in terms of both assumptions and efficiency. In the second paper in this thesis, we study the property of subversion zero-knowledge in non-interactive zero-knowledge proofs. It is impossible to create a NIZK without relying on a common reference string (CRS) generated by a trusted party. However, a NIZK with the subversion zero-knowledge property guarantees that no one learns any private information from the proof even if the CRS was generated dishonestly. In this paper, we create a new cryptographic primitive (verifiably-extractable one-way functions) and show how this primitive relates to NIZKs with subversion zero-knowledge.Doktorgradsavhandlin

Efficient NIZKs for Algebraic Sets

Significantly extending the framework of (Couteau and Hartmann, Crypto 2020), we propose a general methodology to construct NIZKs for showing that an encrypted vector $\vec{\chi}$ belongs to an algebraic set, i.e., is in the zero locus of an ideal $\mathscr{I}$ of a polynomial ring. In the case where $\mathscr{I}$ is principal, i.e., generated by a single polynomial $F$, we first construct a matrix that is a ``quasideterminantal representation\u27\u27 of $F$ and then a NIZK argument to show that $F (\vec{\chi}) = 0$. This leads to compact NIZKs for general computational structures, such as polynomial-size algebraic branching programs. We extend the framework to the case where \IDEAL is non-principal, obtaining efficient NIZKs for R1CS, arithmetic constraint satisfaction systems, and thus for $\mathsf{NP}$. As an independent result, we explicitly describe the corresponding language of ciphertexts as an algebraic language, with smaller parameters than in previous constructions that were based on the disjunction of algebraic languages. This results in an efficient GL-SPHF for algebraic branching programs

Verifiably-Extractable OWFs and Their Applications to Subversion Zero-Knowledge

An extractable one-way function (EOWF), introduced by Canetti and Dakdouk (ICALP 2008) and generalized by Bitansky et al. (SIAM Journal on Computing vol. 45), is an OWF that allows for efficient extraction of a preimage for the function. We study (generalized) EOWFs that have a public image verification algorithm. We call such OWFs verifiably-extractable and show that several previously known constructions satisfy this notion. We study how such OWFs relate to subversion zero-knowledge (Sub-ZK) NIZKs by using them to generically construct a Sub-ZK NIZK from a NIZK satisfying certain additional properties, and conversely show how to obtain them from any Sub-ZK NIZK. Prior to our work, the Sub-ZK property of NIZKs was achieved using concrete knowledge assumptions

Assumptions, Efficiency and Trust in Non-Interactive Zero-Knowledge Proofs

Vi lever i en digital verden. En betydelig del av livene våre skjer på nettet, og vi bruker internett for stadig flere formål og er avhengig av stadig mer avansert teknologi. Det er derfor viktig å beskytte seg mot ondsinnede aktører som kan forsøke å utnytte denne avhengigheten for egen vinning. Kryptografi er en sentral del av svaret på hvordan man kan beskytte internettbrukere. Historisk sett har kryptografi hovedsakelig vært opptatt av konfidensiell kommunikasjon, altså at ingen kan lese private meldinger sendt mellom to personer. I de siste tiårene har kryptografi blitt mer opptatt av å lage protokoller som garanterer personvern selv om man kan gjennomføre komplekse handlinger. Et viktig kryptografisk verktøy for å sikre at disse protokollene faktisk følges er kunnskapsløse bevis. Et kunnskapsløst bevis er en prosess hvor to parter, en bevisfører og en attestant, utveksler meldinger for å overbevise attestanten om at bevisføreren fulgte protokollen riktig (hvis dette faktisk er tilfelle) uten å avsløre privat informasjon til attestanten. For de fleste anvendelser er det ønskelig å lage et ikke-interaktivt kunnskapsløst bevis (IIK-bevis), der bevisføreren kun sender én melding til attestanten. IIK-bevis har en rekke ulike bruksområder, som gjør de til attraktive studieobjekter. Et IIK-bevis har en rekke ulike egenskaper og forbedring av noen av disse fremmer vår kollektive kryptografiske kunnskap. I den første artikkelen i denne avhandlingen konstruerer vi et nytt ikke-interaktivt kunnskapsløst bevis for språk basert på algebraiske mengder. Denne artikkelen er basert på arbeid av Couteau og Hartmann (Crypto 2020), som viste hvordan man omformer et bestemt interaktivt kunnskapsløst bevis til et IIK-bevis. Vi følger deres tilnærming, men vi bruker et annet interaktivt kunnskapsløst bevis. Dette fører til en forbedring sammenlignet med arbeidet deres på flere områder, spesielt når det gjelder både formodninger og effektivitet. I den andre artikkelen i denne avhandlingen studerer vi egenskapene til ikke-interaktive kunnskapsløse bevis som er motstandsdyktige mot undergraving. Det er umulig å lage et IIK-bevis uten å stole på en felles referansestreng (FRS) generert av en pålitelig tredjepart. Men det finnes eksempler på IIK-bevis der ingen lærer noe privat informasjon fra beviset selv om den felles referansestrengen ble skapt på en uredelig måte. I denne artikkelen lager vi en ny kryptografisk primitiv (verifiserbart-uttrekkbare enveisfunksjoner) og viser hvordan denne primitiven er relatert til IIK-bevis med den ovennevnte egenskapen

Non-Standard Errors

In statistics, samples are drawn from a population in a data-generating process (DGP). Standard errors measure the uncertainty in estimates of population parameters. In science, evidence is generated to test hypotheses in an evidence-generating process (EGP). We claim that EGP variation across researchers adds uncertainty: Non-standard errors (NSEs). We study NSEs by letting 164 teams test the same hypotheses on the same data. NSEs turn out to be sizable, but smaller for better reproducible or higher rated research. Adding peer-review stages reduces NSEs. We further find that this type of uncertainty is underestimated by participants

Non-Standard Errors

In statistics, samples are drawn from a population in a data-generating process (DGP). Standard errors measure the uncertainty in sample estimates of population parameters. In science, evidence is generated to test hypotheses in an evidence-generating process (EGP). We claim that EGP variation across researchers adds uncertainty: non-standard errors. To study them, we let 164 teams test six hypotheses on the same sample. We find that non-standard errors are sizeable, on par with standard errors. Their size (i) co-varies only weakly with team merits, reproducibility, or peer rating, (ii) declines significantly after peer-feedback, and (iii) is underestimated by participants