基于格密码混合加密的零知识联邦学习:构建量子安全的医疗人工智能系统

联邦学习(FL)使得医院间无需集中患者数据即可协同训练医疗AI模型。然而,模型更新的交换暴露了关键漏洞:梯度反演攻击可重构患者信息,拜占庭客户端可能污染全局模型,而"现在采集,未来解密"(HNDL)威胁使当前加密流量易受未来量子攻击者破解。 该研究团队提出ZKFL-PQ(零知识联邦学习·后量子)三层加密协议,融合了:(i) 符合FIPS 203标准的ML-KEM量子抗性密钥封装,(ii) 基于格密码的可验证范数约束梯度完整性零知识证明,(iii) BFV同态加密实现隐私保护聚合。该工作形式化了安全模型,并在经典随机预言机模型下,基于Module-LWE、Ring-LWE和SIS假设证明了正确性与零知识特性。通过在5个联邦客户端进行10轮训练轮次的合成医学影像数据测试,该协议在保持模型准确率100%的同时,实现了对违规范数更新的100%拒绝率(标准联邦学习下准确率会骤降至23%)。虽然计算开销增加约20倍,但分析表明其仍适用于每日或每周周期的临床研究工作流程。研究人员强调,当前防御机制仅保证拒绝大范数恶意更新;针对隐蔽低范数或定向投毒的鲁棒性仍需未来研究。

作者单位: VIP可见
提交arXiv: 2025-05-28 02:38

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