title: Privacy-Preserving Post-Quantum Credentials for Digital Payments
Creators: name: Ali Kazmi, Raza
name: Le, Duc-Phong
name: Minwalla, Cyrus
Publisher: name: Bank of Canada
Year: 2023

description: Digital payments and decentralized systems enable the creation of new financial products and services for users. One core challenge in digital payments is the need to protect users from fraud and abuse while retaining privacy in individual transactions. We propose a pseudonymous credential scheme for use in payment systems to tackle this problem. The scheme is privacy-preserving, efficient for practical applications, and hardened against quantum computing attacks. We present a constant-round, interactive, zero-knowledge proof of knowledge (ZKPOK) that relies on a one-way function and an asymmetric encryption primitive—both of which need to support at most one homomorphic addition. The scheme is implemented with SWIFFT as a post-quantum one-way function and ring learning with errors as a post-quantum asymmetric encryption primitive, with the protocol deriving its quantum-hardness from the properties of the underlying primitives. We evaluate the performance of the ZKPOK instantiated with the chosen primitive and find that a memory footprint of 85 KB is needed to achieve 200 bits of security. Comparison reveals that our scheme is more efficient than equivalent, state-of-the-art post-quantum schemes. A practical and interactive credential mechanism was constructed from the proposed building blocks, in which users are issued pseudonymous credentials against their personally identifiable information that can be used to register with financial service providers without revealing personal information. The protocol is shown to be secure and free of information leakage, preserving the user’s privacy regardless of the number of registrations.
description: Les paiements numériques et les systèmes décentralisés permettent la création de nouveaux produits et services financiers. Un des principaux défis liés aux paiements numériques est la nécessité de protéger les utilisateurs contre la fraude et les abus tout en préservant la confidentialité des données associées à chaque transaction. Pour résoudre ce problème, nous proposons un mécanisme de pseudonymisation d’identifiants pour les systèmes de paiement. Ce mécanisme permet de préserver efficacement la confidentialité des données individuelles et offre une protection renforcée contre les attaques basées sur les technologies quantiques. Nous présentons une preuve de connaissance à divulgation nulle de connaissance (ZKPOK) interactive avec un nombre de tours constant. Elle se fonde sur une fonction de cryptage unidirectionnelle et sur une primitive de chiffrement asymétrique post-quantique, chacune devant supporter au plus une opération d’addition homomorphe. L’implantation de ce mécanisme de pseudonymisation est basée sur une fonction de cryptage unidirectionnelle SWIFFT et sur une primitive de chiffrement asymétrique d’apprentissage annulaire avec erreurs. Ces primitives de chiffrement donnent au protocole sa capacité de résistance aux attaques quantiques. L’évaluation des performances du mécanisme ZKPOK, instancié et utilisant les primitives susmentionnées, nous montre que 85 kilooctets de mémoire sont requis pour obtenir un niveau de sécurité de 200 bits. Une étude comparative avec des dispositifs à la fine pointe nous montre que notre mécanisme ZKPOK est plus efficace que les mécanismes post-quantiques équivalents. Un mécanisme d’identifiants pratique et interactif a été créé à partir des composantes de base que nous proposons. Il fournit aux utilisateurs un pseudonyme associé aux renseignements permettant de les identifier, et ils peuvent ainsi s’enregistrer auprès de fournisseurs de services financiers sans révéler de données personnelles. Le protocole s’avère sûr et prévient toute fuite d’information, ce qui préserve la confidentialité de l’utilisateur, quel que soit le nombre d’enregistrements.