Several cryptosystems based on the \emph{Ring Learning with Errors} (RLWE) problem have been proposed within the NIST post-quantum cryptography standardization process, e.g., NewHope. Furthermore, there are systems like Kyber which are based on the closely related MLWE assumption. Both previously mentioned schemes result in a non-zero decryption failure rate (DFR). The combination of encryption and decryption for these kinds of algorithms can be interpreted as data transmission over a noisy channel. To the best of our knowledge this paper is the first work that analyzes the capacity of this channel. We show how to modify the encryption schemes such that the input alphabets of the corresponding channels are increased. In particular, we present lower bounds on their capacities which show that the transmission rate can be significantly increased compared to standard proposals in the literature. Furthermore, under the common assumption of stochastically independent coefficient failures, we give lower bounds on achievable rates based on both the Gilbert-Varshamov bound and concrete code constructions using BCH codes. By means of our constructions, we can either increase the total bitrate (by a factor of $1.84$ for Kyber and by factor of $7$ for NewHope) while guaranteeing the same DFR or for the same bitrate, we can significantly reduce the DFR for all schemes considered in this work (e.g., for NewHope from $2^{-216}$ to $2^{-12769}$).


翻译:以 emph{Ring Learning with 错误} (RLWE) 问题为基础的数个加密系统。 在 NIST 后分子加密标准化进程(例如NewHope) 中提出了基于 $177 (RLWE) 问题的若干加密系统。 此外, Kyber 这样的系统基于密切关联的 MLWE 假设。 前述两种计划都导致非零解密失败率(DFR ) 。 这些算法的加密和解密结合可以被解释为在一个吵闹的频道上传输数据。 据我们所知,本文是分析这个频道能力的第一个工作。我们展示了如何修改加密方案,使相应频道的输入字母增加。特别是,我们对这些系统的能力提出了较低的界限,表明与文献中的标准提议相比,传输率可以大幅提高。 此外,根据普通独立系数的假设,我们可以根据吉尔伯特-Varhamov 和具体代码的可实现率,用BCH代码来降低。我们用269} 来大幅提高这个频道的加密方法,我们也可以通过新系数来大幅提高这个计算。

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