量子通信によるプライベート情報検索及び分散型紛失通信の安全性と効率の解析

• 研究課題/領域番号: 20J11484
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分60070:情報セキュリティ関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: SONG SEUNGHOAN 名古屋大学, 多元数理科学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2020-04-24 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 1,700千円 (直接経費: 1,700千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: プライベート情報検索 / 量子プライベート情報検索 / 量子暗号 / 量子秘密分散 / 対象プライベート情報検索 / 通信路容量 / 情報理論的セキュリティ / 秘密分散

研究開始時の研究の概要

ユーザがデータベースから情報を検索する際, ユーザのプライバシ保護がしばしば要求される. ユーザのプライバシを保護した情報検索は, プライベート情報検索 (PIR) と呼ばれる. さらにデータベースの情報も保護した情報検索は, 紛失通信 (OT) と呼ばれる. 一方, 既存の情報通信の効率や安全性を向上する手段として, 量子通信が注目されている. 本研究では, 安全性と効率の向上を目指し, 量子通信によるPIR及び分散型OTを研究する. 特に, 量子通信を取り入れた上, (1) 複数の攻撃モデルに対して安全なPIR及び分散型OTプロトコルを構成し, (2) 通信効率の理論限界を明らかにする.

研究実績の概要

安全な量子PIRプロトコルの構成とその理論限界の導出のため、今年度は以下の４つのテーマの研究を行った。
- 研究１. 「符号化されたデータベースにおける、量子プライベート情報検索の最適効率導出や最適プロトコル構成」。この研究は昨年度の研究「サーバーが結託する場合の量子プライベート情報検索の最適効率導出や最適プロトコル構成」を拡張した研究であり、符号化されたデータベース上においても安全な量子PIRプロトコルを構成しその理論限界を求めた。フィンランドのAalto大学やドイツのTUMunichの研究者との共同研究として行い、論文誌IEEE Journal on Selected Areas inCommunicationsに掲載した。
- 研究２. 「量子状態を送るための量子プライベート情報検索」。昨年度から同テーマの研究を続け、さらに拡張した。昨年度の研究成果では、純粋状態を送信する量子PIRプロトコルを提案したことに対し、今年度にはそのプロトコルを混合状態まで送信できるように拡張した。現在、論文誌PRX Quantumへ投稿中である。
- 研究３. 「対称プライベート情報検索と非完全秘密分散の同値性」。昨年度の研究成果をまとめ、国際学会2021 IEEE International Symposium on InformationTheoryで発表し、論文誌IEEE Journal on Selected Areas in Communicationsに掲載した。
- 研究４. 「量子対称プライベート情報検索と量子非完全秘密分散との同値性」。研究３の量子拡張として、古典情報を送るための量子対称PIRと量子非完全秘密分散の同値性に関する研究である。この同値性により、量子秘密分散から量子PIRプロトコルの構成とその理論限界の導出が可能になる。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Aalto University(フィンランド)
• [国際共同研究] Technical University of Munich(ドイツ)
• [国際共同研究] Aalto University(フィンランド)
• [国際共同研究] The Technical University of Munich(ドイツ)
• [雑誌論文] On the Capacity of Quantum Private Information Retrieval From MDS-Coded and Colluding Servers (2022)
  • 著者名/発表者名: Allaix Matteo、Song Seunghoan、Holzbaur Lukas、Pllaha Tefjol、Hayashi Masahito、Hollanti Camilla
  • 雑誌名: IEEE Journal on Selected Areas in Communications 巻: 40 号: 3 ページ: 885-898
  • DOI: 10.1109/jsac.2022.3142363
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Equivalence of Non-Perfect Secret Sharing and Symmetric Private Information Retrieval With General Access Structure (2022)
  • 著者名/発表者名: Song Seunghoan、Hayashi Masahito
  • 雑誌名: IEEE Journal on Selected Areas in Communications 巻: 40 号: 3 ページ: 999-1012
  • DOI: 10.1109/jsac.2022.3142375
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Capacity of Quantum Private Information Retrieval With Colluding Servers (2021)
  • 著者名/発表者名: Song Seunghoan、Hayashi Masahito
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Information Theory 巻: 67 号: 8 ページ: 5491-5508
  • DOI: 10.1109/tit.2021.3077269
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Capacity of Quantum Private Information Retrieval With Multiple Servers (2021)
  • 著者名/発表者名: Song Seunghoan、Hayashi Masahito
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Information Theory 巻: 67 号: 1 ページ: 452-463
  • DOI: 10.1109/tit.2020.3022515
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Capacity of Quantum Symmetric Private Information Retrieval With Collusion of All But One of Servers (2021)
  • 著者名/発表者名: Song Seunghoan、Hayashi Masahito
  • 雑誌名: IEEE Journal on Selected Areas in Information Theory 巻: 2 号: 1 ページ: 380-390
  • DOI: 10.1109/jsait.2021.3053537
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Capacity of Quantum Private Information Retrieval with Colluding Servers (2020)
  • 著者名/発表者名: Song Seunghoan、Hayashi Masahito
  • 雑誌名: Proceedings of 2020 IEEE International Symposium on Information Theory 巻: 0 ページ: 1727-1731
  • DOI: 10.1109/isit44484.2020.9174005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum state transmission over partially corrupted quantum information network (2020)
  • 著者名/発表者名: Hayashi Masahito、Song Seunghoan
  • 雑誌名: Physical Review Research 巻: 2 号: 3 ページ: 033079-033079
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.033079
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Quantum Private Information Retrieval (2022)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: QST Seminar, Seoul National University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Private Information Retrieval for Quantum Messages (2021)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: Beyond IID in Information Theory 9
  • 国際学会
• [学会発表] Equivalence of Non-Perfect Secret Sharing and Symmetric Private Information Retrieval with General Access Structure (2021)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: 2021 IEEE International Symposium on InformationTheory (ISIT2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Private Information Retrieval for Quantum Messages (2021)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: 2021 IEEE International Symposium on InformationTheory (ISIT2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Private Information Retrieval (2021)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: SUSTech-Nagoya workshop on Quantum Science
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Capacity of Quantum Private Information Retrieval with Colluding Servers (2021)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: 24rd Annual Conference on Quantum Information Processing
  • 国際学会
• [学会発表] Capacity of Quantum Private Information Retrieval with Colluding Servers (2020)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: 2020 IEEE International Symposium on Information Theory
  • 国際学会
• [学会発表] Capacity of Quantum Private Information Retrieval with Colluding Servers (2020)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: Beyond IID in Information Theory 8
  • 国際学会
• [学会発表] Capacity of Quantum Private Information Retrieval with Colluding Servers (2020)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: 20th Asian Quantum Information Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Capacity of Quantum Private Information Retrieval with Colluding Servers (2020)
  • 著者名/発表者名: Seunghoan Song
  • 学会等名: QCrypt2020
  • 国際学会