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後量子密碼學 - 走進 Lattice 世界系列 第 4

[Day4]後量子密碼學 - 走進 Lattice 世界: 計算問題 - 平均情況困難問題

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接上一篇的講解,基於格的密碼學中所依賴的核心計算困難問題,第2類是平均情況困難問題,而針對平均情況的困難問題,會有以下2個問題:

1. 短整數解問題 (Short Integer Solution, SIS)
SIS 通常被描述為一個尋找短向量的問題,但它是在一個特定的數學結構下定義的。給定一個 m × n 的矩陣 A 和一個模數 q,SIS 旨在找到一個非零的短向量 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569Y1fR08A3aq.png,使得 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569xzFbTu3cP2.png

給定一個矩陣 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569vGYVlRiSwE.png 和一個實數 β,找到一個非零向量 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569RadOQ7IWuQ.png
https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569OI3rgV4k4J.png,使得 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569xzFbTu3cP2.png

說明: SIS 問題與 SVP 密切相關。如果 A 的行向量可以看作是某個格的基,那麼 SIS 向量 x 就可以被視為這個對偶點格 (dual lattice) 中的一個短向量。SIS 的困難性保證了在特定條件下,很難從 A 找到一個非零且短的向量 x,這使得它成為數位簽章等密碼方案的基礎,例如 G-SIS 和 Dilithium。

2. 學習錯誤問題 (Learning with Errors, LWE)
LWE 是目前點陣密碼學中最重要、應用最廣泛的基礎問題之一。LWE 的核心概念是從帶有隨機誤差的線性方程組中,找出一個秘密向量。

給定一個秘密向量 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569MwiQyVBWot.png,生成多個帶有誤差的樣本https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569tL3y9QF4wP.png 其中 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569z9o9g4oOFz.png 是從 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569jipgfuw5Kt.png 中均勻隨機選取的向量,https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569GGP48p5jAS.png 的計算方式為 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569C9enaIIx3T.pnghttps://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569Io9NkKp6kU.png 是一個取自某個小分布 (例如高斯分布) 的隨機誤差。LWE 問題就是給定這些樣本 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569Eac9gLEiun.png ,找出秘密向量 s。

說明: 如果沒有誤差 https://ithelp.ithome.com.tw/upload/images/20250902/20119569vdEQ5EJHCi.png,這個問題就是一個簡單的線性代數問題,可以很容易地求解。然而,加入了隨機的小誤差後,這個問題就變得非常困難。Regev 證明了,在最壞情況下,解決 LWE 問題等價於解決某些點陣上的近似 SVP (Approximate SVP) 問題,而這些問題在量子電腦上也是困難的。由於這個強大的還原證明,LWE 成為了構建各種密碼方案的基石,包括同態加密、金鑰交換和公鑰加密等。Kyber 是一種基於 LWE 的金鑰交換協議,被美國 NIST 選為後量子密碼標準,其安全性就建立在 LWE 的困難性上。


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