Enkel og praktisk DIQKD-sikkerhedsanalyse via BB84-type usikkerhedsrelationer og Pauli-korrelationsbegrænsninger

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Michele Masini, Stefano Pironio og Erik Woodhead

Laboratoire d'Information Quantique, Université libre de Bruxelles (ULB), Belgien

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Ifølge entropiakkumuleringssætningen reduceres beviset for den ubetingede sikkerhed af en enhedsuafhængig kvantenøglefordelingsprotokol til afledte afvejningsfunktioner, dvs. grænser for enkeltrunden von Neumann-entropien af den rå nøgle som funktion af Bell lineære funktionaler, betinget på en aflytters kvantesideinformation. I dette arbejde beskriver vi, hvordan den betingede entropi kan afgrænses i 2-input/2-output indstillingen, hvor analysen kan reduceres til qubit-systemer, ved at kombinere entropigrænser for varianter af den velkendte BB84-protokol med kvantebegrænsninger på qubit-operatorer på det todelte system, der deles af Alice og Bob. Fremgangsmåden giver analytiske grænser på entropien, eller semi-analytiske i rimelig beregningstid, som typisk er tæt på optimale. Vi illustrerer tilgangen på en variant af den enhedsuafhængige CHSH QKD-protokol, hvor begge baser bruges til at generere nøglen samt på en mere raffineret analyse af den originale enkeltbasisvariant med hensyn til tab. Vi opnår især en detektionseffektivitetstærskel lidt under 80.26%, inden for rækkevidde af de nuværende eksperimentelle muligheder.

Populært resumé

Device-Independent Quantum Key Distribution (DIQKD)-protokoller tillader, ved at udnytte fænomenet kvante-ikke-lokalitet, to brugere at etablere en hemmelig nøgle, selv når de bruger kvante-enheder, som de ikke har tillid til. Vi tilbyder en ny og alsidig tilgang til at beregne nedre grænser for nøglehastigheden for to-input/to-output DIQKD-protokoller (en familie af DIQKD-protokoller, der kun kræver par af qubits til deres implementering). Vi anvender vores metode til forskellige protokoller og opnår nye resultater med hensyn til støj og fotontabstolerance.

► BibTeX-data

@article{Masini2022simplepractical, doi = {10.22331/q-2022-10-20-843}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-10-20-843}, title = {Simpel og praktisk {DIQKD} sikkerhedsanalyse via {BB}84-type usikkerhedsrelationer og {P}auli-korrelationsbegrænsninger}, forfatter = {Masini, Michele og Pironio, Stefano og Woodhead, Erik}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, udgiver = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in the Quantenwissenschaften}}, volumen = {6}, sider = {843}, måned = okt, år = {2022} }

► Referencer

[1] John S. Bell. Om Einstein Podolsky Rosen-paradokset. Physics, 1 (3): 195–200, 1964. URL http:///cds.cern.ch/record/111654/.
http://cds.cern.ch/record/111654/

[2] Nicolas Brunner, Daniel Cavalcanti, Stefano Pironio, Valerio Scarani og Stephanie Wehner. Bell ikke-lokalitet. Rev. Mod. Phys., 86: 419–478, april 2014. 10.1103/RevModPhys.86.419.
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.86.419

[3] Antonio Acín, Nicolas Brunner, Nicolas Gisin, Serge Massar, Stefano Pironio og Valerio Scarani. Enhedsuafhængig sikkerhed af kvantekryptografi mod kollektive angreb. Phys. Rev. Lett., 98: 230501, jun 2007. 10.1103/PhysRevLett.98.230501.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.230501

[4] DP Nadlinger, P Drmota, BC Nichol, G Araneda, D Main, R Srinivas, DM Lucas, CJ Ballance, K Ivanov, EY-Z Tan, et al. Eksperimentel kvantenøglefordeling certificeret af klokkens teorem. Nature, 607 (7920): 682-686, 2022. 10.1038/s41586-022-04941-5.
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04941-5

[5] Wei Zhang, Tim van Leent, Kai Redeker, Robert Garthoff, René Schwonnek, Florian Fertig, Sebastian Eppelt, Wenjamin Rosenfeld, Valerio Scarani, Charles CW Lim, et al. Et enhedsuafhængigt kvantenøgledistributionssystem til fjernbrugere. Nature, 607 (7920): 687–691, 2022. 10.1038/s41586-022-04891-y.
https:///doi.org/10.1038/s41586-022-04891-y

[6] Wen-Zhao Liu, Yu-Zhe Zhang, Yi-Zheng Zhen, Ming-Han Li, Yang Liu, Jingyun Fan, Feihu Xu, Qiang Zhang og Jian-Wei Pan. Mod en fotonisk demonstration af enhedsuafhængig kvantenøglefordeling. Phys. Rev. Lett., 129 (5): 050502, 2022. 10.1103/PhysRevLett.129.050502.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.050502

[7] Rotem Arnon-Friedman, Frédéric Dupuis, Omar Fawzi, Renato Renner og Thomas Vidick. Praktisk enhedsuafhængig kvantekryptografi via entropiakkumulering. Nat. Commun., 9: 459, jan 2018. 10.1038/s41467-017-02307-4.
https://doi.org/10.1038/s41467-017-02307-4

[8] Yanbao Zhang, Honghao Fu og Emanuel Knill. Effektiv tilfældighedscertificering ved kvantesandsynlighedsvurdering. Phys. Rev. Research, 2: 013016, jan 2020. 10.1103/PhysRevResearch.2.013016.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.013016

[9] Ernest YZ Tan, René Schwonnek, Koon Tong Goh, Ignatius William Primaatmaja og Charles CW Lim. Beregning af sikre nøglehastigheder til kvantekryptografi med upålidelige enheder. npj Quantum Information, 7 (1): 1-6, 2021. 10.1038/s41534-021-00494-z.
https:///doi.org/10.1038/s41534-021-00494-z

[10] René Schwonnek, Koon Tong Goh, Ignatius W. Primaatmaja, Ernest Y.-Z. Tan, Ramona Wolf, Valerio Scarani og Charles C.-W. Lim. Enhedsuafhængig kvantenøglefordeling med tilfældig nøglebasis. Nat. Commun., maj 2021. 10.1038/s41467-021-23147-3.
https://doi.org/10.1038/s41467-021-23147-3

[11] Ernest Y.-Z. Tan, Pavel Sekatski, Jean-Daniel Bancal, René Schwonnek, Renato Renner, Nicolas Sangouard og Charles C.-W. Lim. Forbedrede DIQKD-protokoller med finite-size-analyse. Dec 2020. URL https:///doi.org/10.48550/arXiv.2012.08714.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2012.08714

[12] Peter Brown, Hamza Fawzi og Omar Fawzi. Beregning af betingede entropier for kvantekorrelationer. Nat. Commun., 12: 575, jan 2021a. 10.1038/s41467-020-20018-1.
https://doi.org/10.1038/s41467-020-20018-1

[13] Peter Brown, Hamza Fawzi og Omar Fawzi. Enhedsuafhængige nedre grænser for den betingede von neumann-entropi. juni 2021b. URL https://doi.org/10.48550/arXiv.2106.13692.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2106.13692

[14] Erik Woodhead, Antonio Acín og Stefano Pironio. Enhedsuafhængig kvantenøglefordeling med asymmetriske CHSH-uligheder. Quantum, 5: 443, april 2021. 10.22331/q-2021-04-26-443.
https://doi.org/10.22331/q-2021-04-26-443

[15] Renato Renner, Nicolas Gisin og Barbara Kraus. Informationsteoretisk sikkerhedsbevis for kvante-nøgle-distributionsprotokoller. Phys. Rev. A, 72: 012332, juli 2005. 10.1103/PhysRevA.72.012332.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.72.012332

[16] Oliver Kern og Joseph M. Renes. Forbedrede envejshastigheder for BB84- og 6-statsprotokoller. Quantum Inf. Comput., 8 (8,9): 0756-0772, sep. 2008. 10.26421/QIC8.8-9-6.
https:///doi.org/10.26421/QIC8.8-9-6

[17] Igor Devetak og Andreas Winter. Destillation af hemmelig nøgle og sammenfiltring fra kvantetilstande. Proc. R. Soc. A, 461 (2053): 207-235, januar 2005. 10.1098/rspa.2004.1372.
https:///doi.org/10.1098/rspa.2004.1372

[18] Stefano Pironio, Antonio Acín, Nicolas Brunner, Nicolas Gisin, Serge Massar og Valerio Scarani. Enhedsuafhængig kvantenøgledistribution sikret mod kollektive angreb. New J. Phys., 11 (4): 045021, apr 2009. 10.1088/1367-2630/11/4/045021.
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045021

[19] Mario Berta, Matthias Christandl, Roger Colbeck, Joseph M. Renes og Renato Renner. Usikkerhedsprincippet i nærvær af kvantehukommelse. Nature Phys., 6: 659–662, juli 2010. 10.1038/nphys1734.
https://doi.org/10.1038/nphys1734

[20] Erik Woodhead. Stram asymptotisk nøglehastighed for Bennett-Brassard 1984-protokollen med lokal randomisering og enhedsunøjagtigheder. Phys. Rev. A, 90: 022306, august 2014. 10.1103/PhysRevA.90.022306.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.90.022306

[21] Jean B. Lasserre. Global optimering med polynomier og problemet med øjeblikke. SIAM J. Comput., 11: 796–817, 2001. 10.1137/S1052623400366802.
https:///doi.org/10.1137/S1052623400366802

[22] D. Henrion og J.-B. Lasserre. Konvergerende lempelser af polynomiale matrixuligheder og statisk outputfeedback. IEEE Trans. Autom. Kontrol, 51 (2): 192–202, 2006. 10.1109/TAC.2005.863494.
https:///doi.org/10.1109/TAC.2005.863494

[23] Duncan McCallum og David Avis. En lineær algoritme til at finde det konvekse skrog af en simpel polygon. Information Processing Letters, 9 (5): 201–206, dec 1979. ISSN 0020-0190. 10.1016/0020-0190(79)90069-3.
https://doi.org/10.1016/0020-0190(79)90069-3

[24] Alejandro A. Schäffer og Christopher J. Van Wyk. Konvekse skrog af stykkevis glatte Jordan-kurver. J. Algorithms, 8 (1): 66-94, Mar 1987. ISSN 0196-6774. 10.1016/0196-6774(87)90028-9.
https://doi.org/10.1016/0196-6774(87)90028-9

[25] Erik Woodhead. Kvantekloning bundet og anvendelse på kvantenøglefordeling. Phys. Rev. A, 88: 012331, juli 2013. 10.1103/PhysRevA.88.012331.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.88.012331

[26] Rutvij Bhavsar, Sammy Ragy og Roger Colbeck. Beregning og anvendelse af forskellige von Neumann-entropier i CHSH-baseret enhedsuafhængig tilfældighedsudvidelse. Mar 2021. URL https:///doi.org/10.48550/arXiv.2103.07504.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2103.07504

[27] Philippe H. Eberhard. Baggrundsniveau og tællereffektivitet påkrævet for et smuthulsfrit Einstein-Podolsky-Rosen-eksperiment. Phys. Rev. A, 47: R747–R750, feb 1993. 10.1103/PhysRevA.47.R747.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.47.R747

[28] Peter Brown. privat kommunikation.

[29] Xingjian Zhang, Pei Zeng, Tian Ye, Hoi-Kwong Lo og Xiongfeng Ma. Kvantekomplementaritetstilgang til enhedsuafhængig sikkerhed. november 2021. URL https:///doi.org/10.48550/arXiv.2111.13855.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2111.13855

[30] Adam Winick, Norbert Lütkenhaus og Patrick J. Coles. Pålidelige numeriske nøglesatser til kvantenøglefordeling. Quantum, 2: 77, jul 2018. 10.22331/q-2018-07-26-77.
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77

[31] N. David Mermin. Ekstrem kvantesammenfiltring i en superposition af makroskopisk adskilte tilstande. Phys. Rev. Lett., 65: 1838–1840, oktober 1990. 10.1103/PhysRevLett.65.1838.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.65.1838

[32] Federico Grasselli, Gláucia Murta, Hermann Kampermann og Dagmar Bruß. Entropigrænser for flerparts enhedsuafhængig kryptografi. PRX Quantum, 2: 010308, januar 2021. 10.1103/PRXQuantum.2.010308.
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.010308

[33] https:///github.com/MicheleMasini1996/diqkd-2input2output.
https:///github.com/Michele Masini1996/diqkd-2input2output

[34] Stefano Pironio, Antonio Acín, Serge Massar, Antoine Boyer de La Giroday, Dzmitry N. Matsukevich, Peter Maunz, Steven Olmschenk, David Hayes, Le Luo, T. Andrew Manning og Christopher Monroe. Tilfældige tal bekræftet af Bells teorem. Nature, 464: 1021-1024, april 2010. 10.1038/nature09008.
https:///doi.org/10.1038/nature09008

[35] Antonio Acín, Serge Massar og Stefano Pironio. Tilfældighed kontra ikke-lokalitet og sammenfiltring. Phys. Rev. Lett., 108: 100402, Mar 2012. 10.1103/PhysRevLett.108.100402.
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.100402

Citeret af

[1] DP Nadlinger, P. Drmota, BC Nichol, G. Araneda, D. Main, R. Srinivas, DM Lucas, CJ Ballance, K. Ivanov, EY-Z. Tan, P. Sekatski, RL Urbanke, R. Renner, N. Sangouard og J.-D. Bancal, "Eksperimentel kvantenøglefordeling certificeret af Bells teorem", Nature 607 7920, 682 (2022).

[2] Lewis Wooltorton, Peter Brown og Roger Colbeck, "Tight Analytic Bound on the Trade-Off between Device-Independent Randomness and Nonlocality", Physical Review Letters 129 15, 150403 (2022).

[3] Víctor Zapatero, Tim van Leent, Rotem Arnon-Friedman, Wen-Zhao Liu, Qiang Zhang, Harald Weinfurter og Marcos Curty, "Fremskridt inden for enhedsuafhængig kvantenøglefordeling", arXiv: 2208.12842.

[4] Karol Łukanowski, Maria Balanzó-Juandó, Máté Farkas, Antonio Acín og Jan Kołodyński, "Øvre grænser for nøglesatser i enhedsuafhængig kvantenøglefordeling baseret på konvekse kombinationsangreb", arXiv: 2206.06245.

[5] Federico Grasselli, Gláucia Murta, Hermann Kampermann og Dagmar Bruß, "Boosting device-uafhængig kryptografi med treparts ikke-lokalitet", arXiv: 2209.12828.

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2022-10-21 02:01:11). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2022-10-21 02:01:09).

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.