Steklov Mathematical Institute of RAS, Steklov International Mathematical Center, Μόσχα 119991, Ρωσία
Τμήμα Μαθηματικών και NTI Κέντρο για Κβαντικές Επικοινωνίες, Εθνικό Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας MISIS, Μόσχα 119049, Ρωσία
QRate, Skolkovo, Μόσχα 143025, Ρωσία
Βρείτε αυτό το άρθρο ενδιαφέρουσα ή θέλετε να συζητήσετε; Scite ή αφήστε ένα σχόλιο για το SciRate.
Περίληψη
Η αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας είναι ένα κοινό πρόβλημα στα πρακτικά συστήματα διανομής κβαντικών κλειδιών (QKD). Οι τρέχουσες αποδείξεις ασφαλείας του QKD με αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποδοτικότητας βασίζονται είτε στην υπόθεση της φωτεινής πηγής ενός φωτονίου στην πλευρά του αποστολέα είτε στην υπόθεση της εισόδου ενός φωτονίου στην πλευρά του δέκτη. Αυτές οι υποθέσεις επιβάλλουν περιορισμούς στην κατηγορία πιθανών στρατηγικών υποκλοπής. Εδώ παρουσιάζουμε μια αυστηρή απόδειξη ασφαλείας χωρίς αυτές τις υποθέσεις και, επομένως, λύνουμε αυτό το σημαντικό πρόβλημα και αποδεικνύουμε την ασφάλεια του QKD με αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας έναντι γενικών επιθέσεων (στο ασυμπτωτικό καθεστώς). Συγκεκριμένα, προσαρμόζουμε τη μέθοδο κατάστασης δόλωμα στην περίπτωση αναντιστοιχίας ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας.
Επιλεγμένη εικόνα: Μείωση του ρυθμού μυστικού κλειδιού στην περίπτωση ανίχνευσης απόδοσης-ασυμφωνίας σε σχέση με την περίπτωση μη αντιστοίχισης: Ο λόγος του ποσοστού μυστικού κλειδιού στην περίπτωση αναντιστοιχίας με τις αποδόσεις του ανιχνευτή 1 και $eta$ προς το ποσοστό μυστικών κλειδιών σε η περίπτωση μη αναντιστοιχίας και με τις δύο αποδόσεις ίσες με $(1+eta)/2$. Συμπαγής γραμμή: χωρίς σφάλματα $Q=0$, διακεκομμένη γραμμή: σχετικά υψηλό ποσοστό σφάλματος $Q=0.09$ (κοντά στην κρίσιμη τιμή για την περίπτωση τέλειας ανίχνευσης $Qapprox0.11$). Εάν η αναντιστοιχία είναι μικρή, τότε η μείωση του ποσοστού μυστικού κλειδιού είναι σχετικά μικρή ακόμη και για υψηλά ποσοστά σφάλματος.
Δημοφιλή περίληψη
Ωστόσο, οι αποδείξεις ασφαλείας που λαμβάνουν υπόψη ορισμένες ατέλειες των συσκευών υλικού εξακολουθούν να είναι προκλητικές. Μία από αυτές τις ατέλειες είναι η λεγόμενη αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας, όπου δύο ανιχνευτές ενός φωτονίου έχουν διαφορετικές κβαντικές αποδόσεις, δηλαδή διαφορετικές πιθανότητες ανίχνευσης φωτονίων. Ένα τέτοιο πρόβλημα θα πρέπει να ληφθεί υπόψη γιατί είναι πρακτικά αδύνατο να κατασκευαστούν δύο απολύτως πανομοιότυποι ανιχνευτές.
Μαθηματικά, η απόδειξη ασφαλείας για το QKD με αναντιστοιχία ανιχνεύσεως-αποτελεσματικότητας για τη γενική περίπτωση είναι πρόκληση, επειδή ο χώρος Hilbert με τον οποίο ασχολούμαστε είναι απεριόριστων διαστάσεων (η μείωση σε χώρο πεπερασμένων διαστάσεων που είναι δυνατή για την περίπτωση πανομοιότυπων ανιχνευτών δεν λειτουργεί εδώ ). Έτσι, απαιτήθηκαν ριζικά νέες προσεγγίσεις για να αποδειχθεί η ασφάλεια. Η κύρια νέα μέθοδος που προτείνεται σε αυτή την εργασία είναι ένα αναλυτικό όριο του αριθμού των γεγονότων ανίχνευσης πολλαπλών φωτονίων χρησιμοποιώντας τις σχέσεις εντροπικής αβεβαιότητας. Αυτό μας επιτρέπει να μειώσουμε το πρόβλημα σε ένα πεπερασμένων διαστάσεων. Για την αναλυτική λύση του προβλήματος των πεπερασμένων διαστάσεων (το οποίο είναι ακόμα μη τετριμμένο), προτείνουμε τη χρήση συμμετριών του προβλήματος.
Έτσι, σε αυτό το άρθρο, αποδεικνύουμε την ασφάλεια του πρωτοκόλλου BB84 με αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας και εξάγουμε αναλυτικά όρια για τον ρυθμό μυστικού κλειδιού σε αυτήν την περίπτωση. Επίσης προσαρμόζουμε τη μέθοδο κατάστασης δόλωμα στην περίπτωση αναντιστοιχίας ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας.
► Δεδομένα BibTeX
► Αναφορές
[1] CH Bennett και G. Brassard, Quantum cryptography: Public key διανομή και ρίψη νομισμάτων, στο Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, Ινδία (IEEE, Νέα Υόρκη, 1984), σελ. 175.
[2] D. Mayers, Κβαντική διανομή κλειδιού και αγνοημένη μεταφορά συμβολοσειρών σε θορυβώδη κανάλια, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv: quant-ph / 9606003
[3] D. Mayers, Unconditional security in quantum cryptography, JACM. 48, 351 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 382780.382781
[4] PW Shor και J. Preskill, Απλή απόδειξη ασφάλειας του πρωτοκόλλου διανομής κβαντικού κλειδιού BB84, Phys. Αναθ. Lett. 85, 441 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Security of quantum key distribution, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv: quant-ph / 0512258
[6] M. Koashi, Απλή απόδειξη ασφάλειας διανομής κβαντικού κλειδιού βασισμένη στη συμπληρωματικότητα, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin, and R. Renner, Tight finite-key analysis for quantum cryptography, Nat. Commun. 3, 634 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1631
[8] M. Tomamichel και A. Leverrier, Μια σε μεγάλο βαθμό αυτόνομη και πλήρης απόδειξη ασφάλειας για διανομή κβαντικών κλειδιών, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel και H. Zbinden, κβαντογραφία κβαντογραφία, Rev. Mod. Φυσ. 74, 145 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.74.145
[10] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, NJ Cerf, M. Dusek, N. Lütkenhaus, and M. Peev, Quantum cryptography, Rev. Mod. Phys. 81, 1301 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1301
[11] Ε. Διαμαντή, Χ.-Κ. Lo, B. Qi και Z. Yuan, Πρακτικές προκλήσεις στη διανομή κβαντικών κλειδιών, npj Quant. Inf. 2, 16025 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, Η.-Κ. Lo, και J.-W. Pan, Ασφαλής διανομή κβαντικού κλειδιού με ρεαλιστικές συσκευές, 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 και G. Leuchs, Attacks on πρακτικά συστήματα διανομής κβαντικών κλειδιών (και πώς να τα αποτρέψουμε), Contemporary Physics 57, 366 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo, και X. Ma, Ασφάλεια απόδειξη διανομής κβαντικού κλειδιού με αναντιστοιχία απόδοσης ανίχνευσης, Quant. Inf. Υπολογιστής. 9, 131 (2009).
http: / / dl.acm.org/ citation.cfm; id = 2021256.2021264
[15] L. Lydersen και J. Skaar, Ασφάλεια διανομής κβαντικού κλειδιού με ελαττώματα ανιχνευτών εξαρτώμενων από bit και βάση, Quant. Inf. Υπολογιστής. 10, 60 (2010).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus και PJ Coles, Αξιόπιστοι αριθμητικοί ρυθμοί κλειδιών για διανομή κβαντικών κλειδιών, Quantum 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bochkov και AS Trushechkin, Ασφάλεια διανομής κβαντικού κλειδιού με αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας στην περίπτωση ενός φωτονίου: Σφιχτά όρια, Φυσ. Α' 99, 032308 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan, and X. Ma, Operational interpretation of coherence in quantum key distribution, Phys. Α' 99, 062325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder, and N. Lütkenhaus, Squashing models for optical memeters in quantum communication, Phys. Αναθ. Lett. 101, 093601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru and K. Tamaki, Security proof for quantum-key-distribution systems with threshold detectors, Phys. Αναθ. Α 78, 032302 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032302
[21] O. Gittsovich, NJ Beaudry, V. Narasimhachar, RR Alvarez, T. Moroder, and N. Lütkenhaus, Μοντέλο Squashing για ανιχνευτές και εφαρμογές σε πρωτόκολλα διανομής κβαντικού κλειδιού, Phys. Α' 89, 012325 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.012325
[22] Y. Zhang, PJ Coles, A. Winick, J. Lin και N. Lütkenhaus, Απόδειξη ασφάλειας πρακτικής διανομής κβαντικών κλειδιών με αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας, Phys. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma, και N. Lütkenhaus, Αδιαμφισβήτητη διάκριση κατάστασης στην κβαντική κρυπτογραφία με ασθενείς συνεκτικές καταστάσεις, Phys. Αναθ. Α 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus και M. Jahma, Κβαντική κατανομή κλειδιού με ρεαλιστικές καταστάσεις: στατιστικές αριθμού φωτονίων στην επίθεση διάσπασης αριθμού φωτονίων, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] Η.-Κ. Lo, X. Ma, and K. Chen, Κατανομή κβαντικού κλειδιού κατάστασης Decoy, Phys. Αναθ. Lett. 94, 230504 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Καταπολέμηση της επίθεσης διάσπασης αριθμού φωτονίων στην πρακτική κβαντική κρυπτογραφία, Φυσ. Αναθ. Lett. 94, 230503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao, and H.-K. Lo, Πρακτική κατάσταση δόλωμα για διανομή κβαντικού κλειδιού, Φυσ. Αναθ. Α 72, 012326 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi και X. Ma, Βελτιωμένα όρια ρυθμού κλειδιού για πρακτικά συστήματα διανομής κβαντικών κλειδιών κατάστασης δόλωμα, Phys. Α' 95, 012333 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko και AK Fedorov, Πρακτικά ζητήματα στην κατανομή κβαντικού κλειδιού κατάστασης δόλωσης με βάση το θεώρημα κεντρικού ορίου, Φυσ. Α' 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 και P. Villoresi, Απλή κατανομή κβαντικού κλειδιού με συγχρονισμό που βασίζεται σε qubit και ένας αυτο-αντισταθμιζόμενος κωδικοποιητής πόλωσης, Optica 8, 284–290 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.381013
[31] Y. Zhang και N. Lütkenhaus, Επαλήθευση εμπλοκής με αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας, Φυσ. Α' 95, 042319 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi, and R. Renner, Entropy accumulation, Comm. Μαθηματικά. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis and O. Fawzi, Εντροπία συσσώρευση με βελτιωμένο όρο δεύτερης τάξης, IEEE Trans. Inf. Theory 65, 7596 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2929564
[34] T. Metger και R. Renner, Ασφάλεια κατανομής κβαντικού κλειδιού από γενικευμένη συσσώρευση εντροπίας, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, Κβαντικά Συστήματα, Κανάλια, Πληροφορίες. A Mathematical Introduction (De Gruyter, Βερολίνο, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma, και HF Chau, Πρακτικά ζητήματα στη μετεπεξεργασία διανομής κβαντικού κλειδιού, Phys. Αναθ. Α 81, 012318 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak and A. Winter, Distillation of secret key and enanglement from quantum states, Proc. R. Soc. Λονδίνο, Σερ. Α, 461, 207 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard και ND Mermin, Κβαντική κρυπτογραφία χωρίς θεώρημα Bell, Φυσ. Αναθ. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein και N. Lütkenhaus, Η εμπλοκή ως προϋπόθεση για ασφαλή διανομή κβαντικού κλειδιού, Phys. Αναθ. Lett. 92, 217903 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi και N. Lütkenhaus, Συμμετρίες στην κατανομή κβαντικών κλειδιών και η σύνδεση μεταξύ βέλτιστων επιθέσεων και βέλτιστης κλωνοποίησης, Φυσ. Αναθ. Α 85, 052310 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin και AK Fedorov, Συμμετρική τυφλή συμφιλίωση πληροφοριών για διανομή κβαντικού κλειδιού, Φυσ. Εφαρμ. 8, 044017 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin και AK Fedorov, Συμμετρική τυφλή συμφιλίωση πληροφοριών και επαλήθευση βασισμένη σε συνάρτηση κατακερματισμού για διανομή κβαντικού κλειδιού, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1134 / S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev και AK Fedorov, Εκτίμηση σφαλμάτων στο στάδιο συμφιλίωσης πληροφοριών της διανομής κβαντικού κλειδιού, J. Russ. Laser Res. 39, 558 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10946-018-9752-y
[44] D. Gottesman, Η.-Κ. Lo, N. Lütkenhaus και J. Preskill, Ασφάλεια διανομής κβαντικών κλειδιών με ατελείς συσκευές, Quant. Inf. Υπολογιστής. 5, 325 (2004).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes και R. Renner, Η αρχή της αβεβαιότητας παρουσία της κβαντικής μνήμης, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https://doi.org/10.1038/NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu, and RB Griffiths, Πληροφορική-θεωρητική επεξεργασία τριμερών συστημάτων και κβαντικών καναλιών, Φυσ. Αναθ. Α 83, 062338 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev και N. Lütkenhaus, Αριθμητική προσέγγιση για μη δομημένη κβαντική διανομή κλειδιού, Nat. Commun. 7, 11712 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms11712
[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen, and H.-K. Lo, Quantum hacking: Πειραματική επίδειξη επίθεσης χρονικής μετατόπισης εναντίον πρακτικών συστημάτων διανομής κβαντικών κλειδιών, Phys. Αναθ. Α 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes and D. Reeb, Μονοτονικότητα της κβαντικής σχετικής εντροπίας κάτω από θετικούς χάρτες, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen και JBM Uffink, Γενικευμένες εντροπικές σχέσεις αβεβαιότητας, Phys. Αναθ. Lett. 60, 1103 (1988).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.60.1103
[51] S. Sajeed, P. Chaiwongkhot, J.-P. Bourgoin, T. Jennewein, N. Lütkenhaus και V. Makarov, Κενό ασφαλείας στη διανομή κβαντικού κλειδιού ελεύθερου χώρου λόγω ασυμφωνίας χωρικής λειτουργίας ανιχνευτή-αποδοτικότητα, Φυσ. Α' 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, and P. Wallden, Advances in quantum cryptography, Adv. Επιλέγω. Φωτόνιο. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent, and D. Pitalúa-García, Multiphoton and side-channel attacks in disfustful quantum cryptography, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030338
Αναφέρεται από
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman και Rajkumar Buyya, «Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions». arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent και Damián Pitalúa-García, «Πολυφωτονικές και πλευρικές επιθέσεις στη δυσπιστή κβαντική κρυπτογραφία», PRX Quantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin και Norbert Lütkenhaus, «Ασφάλεια απόδειξης πρακτικής διανομής κβαντικών κλειδιών με αναντιστοιχία ανίχνευσης-αποτελεσματικότητας», Έρευνα Φυσικής Επισκόπησης 3 1, 013076 (2021).
Οι παραπάνω αναφορές είναι από SAO / NASA ADS (τελευταία ενημέρωση επιτυχώς 2022-07-22 09:35:20). Η λίστα μπορεί να είναι ελλιπής, καθώς δεν παρέχουν όλοι οι εκδότες τα κατάλληλα και πλήρη στοιχεία αναφοράς.
Δεν ήταν δυνατή η λήψη Crossref αναφερόμενα δεδομένα κατά την τελευταία προσπάθεια 2022-07-22 09:35:19: Δεν ήταν δυνατή η λήψη των αναφερόμενων δεδομένων για το 10.22331 / q-2022-07-22-771 από την Crossref. Αυτό είναι φυσιολογικό αν το DOI καταχωρήθηκε πρόσφατα.
Αυτό το Βιβλίο δημοσιεύεται στο Quantum στο πλαίσιο του Creative Commons Attribution 4.0 Διεθνής (CC BY 4.0) άδεια. Τα πνευματικά δικαιώματα παραμένουν στους κατόχους των πρωτότυπων δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας όπως οι δημιουργοί ή τα ιδρύματά τους
