Steklov Mathematical Institute of RAS, Steklov International Mathematical Center, Moskva 119991, Rusland
Institut for Matematik og NTI Center for Kvantekommunikation, National University of Science and Technology MISIS, Moskva 119049, Rusland
QRate, Skolkovo, Moskva 143025, Rusland
Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.
Abstrakt
Detektionseffektivitetsmismatch er et almindeligt problem i praktiske quantum key distribution (QKD) systemer. Nuværende sikkerhedsbeviser for QKD med detektionseffektivitetsmismatch er enten afhængige af antagelsen om enkeltfoton-lyskilden på afsendersiden eller på antagelsen om enkeltfoton-input på modtagersiden. Disse antagelser pålægger begrænsninger for klassen af mulige aflytningstrategier. Her præsenterer vi et strengt sikkerhedsbevis uden disse antagelser og løser dermed dette vigtige problem og beviser sikkerheden for QKD med detektionseffektivitetsmismatch mod generelle angreb (i det asymptotiske regime). Især tilpasser vi lokketilstandsmetoden til tilfælde af detektionseffektivitetsmismatch.
Udvalgt billede: Fald i hemmelig nøglerate i tilfældet med detektionseffektivitet-mismatch i forhold til tilfældet uden mismatch: Forholdet mellem den hemmelige nøglerate i mismatch-tilfældet med detektoreffektiviteterne 1 og $eta$ og den hemmelige nøglerate i tilfældet uden mismatch med begge effektiviteter lig med $(1+eta)/2$. Helttrukket linje: ingen fejl $Q=0$, stiplet linje: relativt høj fejlrate $Q=0.09$ (tæt på den kritiske værdi for tilfældet med perfekt detektion $Qapprox0.11$). Hvis misforholdet er lille, så er faldet i hemmelig nøglerente relativt lille selv for høje fejlrater.
Populært resumé
Sikkerhedsbeviser, der tager højde for visse ufuldkommenheder i hardwareenheder, er dog stadig udfordrende. En af sådanne ufuldkommenheder er såkaldt detektionseffektivitetsmismatch, hvor to enkeltfotondetektorer har forskellige kvanteeffektiviteter, dvs. forskellige sandsynligheder for fotondetektion. Et sådant problem bør tages i betragtning, fordi det er praktisk talt umuligt at lave to absolut identiske detektorer.
Matematisk er sikkerhedsbevis for QKD med detektionseffektivitetsmismatch for det generelle tilfælde udfordrende, fordi det Hilbert-rum, vi beskæftiger os med, er uendeligt-dimensionelt (en reduktion til et endeligt-dimensionelt rum, der er mulig for tilfælde af identiske detektorer, virker ikke her ). Så fundamentalt nye metoder til at bevise sikkerheden var påkrævet. Den vigtigste nye metode, der er foreslået i dette arbejde, er en analytisk afgrænsning af antallet af multifotondetektionsbegivenheder ved hjælp af de entropiske usikkerhedsrelationer. Dette giver os mulighed for at reducere problemet til et endeligt-dimensionelt. Til den analytiske løsning af det finit-dimensionelle problem (som stadig er ikke-trivielt), foreslår vi at bruge symmetrier af problemet.
I dette papir beviser vi således BB84-protokollens sikkerhed med detektionseffektivitetsmismatch og udleder analytisk grænser for den hemmelige nøglehastighed i dette tilfælde. Vi tilpasser også lokketilstandsmetoden til tilfælde af misforhold mellem detektionseffektivitet.
► BibTeX-data
► Referencer
[1] CH Bennett og G. Brassard, Quantum cryptography: Public key distribution and coin kast, i Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, Indien (IEEE, New York, 1984), s. 175.
[2] D. Mayers, Quantum key distribution and string oblivious transfer in støjende kanaler, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv:quant-ph/9606003
[3] D. Mayers, Ubetinget sikkerhed i kvantekryptografi, JACM. 48, 351 (2001).
https:///doi.org/10.1145/382780.382781
[4] PW Shor og J. Preskill, Simpelt bevis på sikkerheden af BB84 kvantenøglefordelingsprotokollen, Phys. Rev. Lett. 85, 441 (2000).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Sikkerhed ved distribution af kvantenøgler, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv:quant-ph/0512258
[6] M. Koashi, Simpelt sikkerhedsbevis for kvantenøglefordeling baseret på komplementaritet, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin og R. Renner, Tight finite-key analyse til kvantekryptografi, Nat. Commun. 3, 634 (2012).
https:///doi.org/10.1038/ncomms1631
[8] M. Tomamichel og A. Leverrier, Et stort set selvstændigt og komplet sikkerhedsbevis til kvantenøgledistribution, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel og H. Zbinden, Quantum cryptography, Rev. Mod. Phys. 74, 145 (2002).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.74.145
[10] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, NJ Cerf, M. Dusek, N. Lütkenhaus og M. Peev, Quantum cryptography, Rev. Mod. Phys. 81, 1301 (2009).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1301
[11] E. Diamanti, H.-K. Lo, B. Qi og Z. Yuan, Praktiske udfordringer i kvantenøglefordeling, npj Quant. Inf. 2, 16025 (2016).
https:///doi.org/10.1038/npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo og J.-W. Pan, Sikker kvantenøglefordeling med realistiske enheder, Rev. Mod. Phys. 92, 025002 (2020).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.92.025002
[13] N. Jain, B. Stiller, I. Khan, D. Elser, C. Marquardt og G. Leuchs, Angreb på praktiske kvantenøglefordelingssystemer (og hvordan man forhindrer dem), Contemporary Physics 57, 366 (2015).
https:///doi.org/10.1080/00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo, og X. Ma, Sikkerhedsbevis for kvantenøgledistribution med detektionseffektivitetsmismatch, Quant. Inf. Comput. 9, 131 (2009).
http:///dl.acm.org/citation.cfm?id=2021256.2021264
[15] L. Lydersen og J. Skaar, Sikkerhed for kvantenøglefordeling med bit- og basisafhængige detektorfejl, Kvant. Inf. Comput. 10, 60 (2010).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus og PJ Coles, Reliable numerical key rates for quantum key distribution, Quantum 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bochkov og AS Trushechkin, Sikkerhed for kvantenøglefordeling med detektionseffektivitetsmismatch i enkeltfoton-tilfældet: Tight bounds, Phys. Rev. A 99, 032308 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan og X. Ma, Operationel fortolkning af sammenhæng i kvantenøglefordeling, Phys. Rev. A 99, 062325 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder og N. Lütkenhaus, Squashing-modeller for optiske målinger i kvantekommunikation, Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru og K. Tamaki, Sikkerhedsbevis til kvantenøgle-distributionssystemer med tærskeldetektorer, Phys. Rev. A 78, 032302 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.78.032302
[21] O. Gittsovich, NJ Beaudry, V. Narasimhachar, RR Alvarez, T. Moroder og N. Lütkenhaus, Squashing model for detektorer og applikationer til kvante-nøgle-fordelingsprotokoller, Phys. Rev. A 89, 012325 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.012325
[22] Y. Zhang, PJ Coles, A. Winick, J. Lin og N. Lütkenhaus, Sikkerhedsbevis for praktisk kvantenøglefordeling med detektionseffektivitetsmismatch, Phys. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma og N. Lütkenhaus, Utvetydig tilstandsdiskrimination i kvantekryptografi med svage sammenhængende tilstande, Fysisk. Rev. A 62, 022306 (2000).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus og M. Jahma, Kvantenøglefordeling med realistiske tilstande: foton-tal-statistik i foton-tal-opdelingsangrebet, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] H.-K. Lo, X. Ma og K. Chen, Decoy state quantum key distribution, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Bekæmpelse af foton-tal-spaltende angreb i praktisk kvantekryptografi, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao og H.-K. Lo, praktisk lokketilstand for kvantenøglefordeling, Fysisk. Rev. A 72, 012326 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi og X. Ma, Forbedrede nøglehastighedsgrænser for praktiske lokketilstande kvante-nøgle-distributionssystemer, Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko og AK Fedorov, Praktiske spørgsmål i lokketilstand kvantenøglefordeling baseret på den centrale grænsesætning, Phys. Rev. A 96, 022316 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.96.022316
[30] C. Agnesi, M. Avesani, L. Calderaro, A. Stanco, G. Foletto, M. Zahidy, A. Scriminich, F. Vedovato, G. Vallone og P. Villoresi, Simpel kvantenøglefordeling med qubit-baseret synkronisering og en selvkompenserende polarisationskoder, Optica 8, 284-290 (2020).
https:///doi.org/10.1364/OPTICA.381013
[31] Y. Zhang og N. Lütkenhaus, Entanglement-verifikation med detektionseffektivitetsmismatch, Phys. Rev. A 95, 042319 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi og R. Renner, Entropiakkumulering, Comm. Matematik. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis og O. Fawzi, Entropiakkumulering med forbedret andenordens term, IEEE Trans. Inf. Theory 65, 7596 (2019).
https:///doi.org/10.1109/TIT.2019.2929564
[34] T. Metger og R. Renner, Sikkerhed for kvantenøglefordeling fra generaliseret entropiakkumulering, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, Quantum Systems, Channels, Information. En matematisk introduktion (De Gruyter, Berlin, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma og HF Chau, Practical issues in quantum-key-distribution postprocessing, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak og A. Winter, Destillation af hemmelig nøgle og sammenfiltring fra kvantetilstande, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 461, 207 (2005).
https:///doi.org/10.1098/rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard og ND Mermin, Kvantekryptografi uden Bells teorem, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein og N. Lütkenhaus, Entanglement som forudsætning for sikker kvantenøglefordeling, Phys. Rev. Lett. 92, 217903 (2004).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi og N. Lütkenhaus, Symmetrier i kvantenøglefordeling og sammenhængen mellem optimale angreb og optimal kloning, Phys. Rev. A 85, 052310 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin og AK Fedorov, Symmetrisk blind informationsafstemning til kvantenøglefordeling, Phys. Rev. ansøgt 8, 044017 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin og AK Fedorov, Symmetrisk blind informationsafstemning og hashfunktionsbaseret verifikation til kvantenøglefordeling, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https:///doi.org/10.1134/S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev og AK Fedorov, Fejlvurdering på informationsafstemningsstadiet af kvantenøglefordeling, J. Russ. Laser Res. 39, 558 (2018).
https:///doi.org/10.1007/s10946-018-9752-y
[44] D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lütkenhaus og J. Preskill, Sikkerhed for kvantenøgledistribution med ufuldkomne enheder, Quant. Inf. Comput. 5, 325 (2004).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes og R. Renner, Usikkerhedsprincippet i nærvær af kvantehukommelse, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https:///doi.org/10.1038/NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu og RB Griffiths, Informationsteoretisk behandling af trepartssystemer og kvantekanaler, Phys. Rev. A 83, 062338 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev og N. Lütkenhaus, Numerisk tilgang til ustruktureret kvantenøglefordeling, Nat. Commun. 7, 11712 (2016).
https:///doi.org/10.1038/ncomms11712
[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen og H.-K. Lo, Quantum hacking: Eksperimentel demonstration af time-shift angreb mod praktiske kvante-nøgle-distributionssystemer, Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes og D. Reeb, Monotonicity of the quantum relative entropy under positive maps, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen og JBM Uffink, Generalized entropic uncertainty relations, Phys. Rev. Lett. 60, 1103 (1988).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.60.1103
[51] S. Sajeed, P. Chaiwongkhot, J.-P. Bourgoin, T. Jennewein, N. Lütkenhaus og V. Makarov, Sikkerhedssmuthul i frirums kvantenøglefordeling på grund af rumlig-mode detektor-effektivitet mismatch, Phys. Rev. A 91, 062301 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.91.062301
[52] S. Pirandola, UL Andersen, L. Banchi, M. Berta, D. Bunandar, R. Colbeck, D. Englund, T. Gehring, C. Lupo, C. Ottaviani, JL Pereira, M. Razavi, J. Shamsul Shaari , M. Tomamichel, VC Usenko, G. Vallone, P. Villoresi og P. Wallden, Advances in quantum cryptography, Adv. Opt. Foton. 12, 1012 (2020).
https:///doi.org/10.1364/AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent og D. Pitalúa-García, Multifoton- og sidekanalangreb i mistroisk kvantekryptografi, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030338
Citeret af
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman og Rajkumar Buyya, "Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions", arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent og Damián Pitalúa-García, "Multiphoton and Side-Channel Attacks in Mistrustful Quantum Cryptography", PRX Quantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin og Norbert Lütkenhaus, "Sikkerhedsbevis for praktisk kvantenøgledistribution med detektionseffektivitetsmismatch", Physical Review Research 3 1, 013076 (2021).
Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2022-07-22 09:35:20). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.
Kunne ikke hente Crossref citeret af data under sidste forsøg 2022-07-22 09:35:19: Kunne ikke hente citerede data for 10.22331/q-2022-07-22-771 fra Crossref. Dette er normalt, hvis DOI blev registreret for nylig.
Dette papir er udgivet i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Ophavsretten forbliver hos de originale copyright-indehavere, såsom forfatterne eller deres institutioner.
