RAS-i Steklovi matemaatikainstituut, Steklovi rahvusvaheline matemaatikakeskus, Moskva 119991, Venemaa
Riikliku Teadus- ja Tehnikaülikooli MISIS matemaatika osakond ja NTI kvantkommunikatsiooni keskus, Moskva 119049, Venemaa
QRate, Skolkovo, Moskva 143025, Venemaa
Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.
Abstraktne
Tuvastamise ja efektiivsuse mittevastavus on praktilistes kvantvõtmejaotuse (QKD) süsteemides tavaline probleem. Praegused QKD turvatõendid tuvastamise ja efektiivsuse mittevastavusega põhinevad kas saatja poole ühe fotoni valgusallika eeldusel või vastuvõtja poole ühe fotoni sisendi eeldusel. Need eeldused seavad piirangud võimalike pealtkuulamisstrateegiate klassile. Siin esitame ilma nende eeldusteta range turvatõendi ja seega lahendame selle olulise probleemi ja tõestame QKD turvalisust tuvastamise ja tõhususe mittevastavuse korral üldiste rünnakute vastu (asümptootilises režiimis). Eelkõige kohandame peibutusoleku meetodit tuvastamise ja tõhususe mittevastavuse korral.
Esiletõstetud pilt: salajase võtme määra vähenemine tuvastamise tõhususe ja mittevastavuse juhtumil võrreldes mittevastavuse juhtumiga: salajase võtme määra suhe mittevastavuse korral detektori efektiivsuse 1 ja $eta$ ja salajase võtme määra suhe mittevastavuse juhtum, kus mõlemad kasutegurid on võrdsed $(1+eta)/2$. Pidev joon: vigu pole $Q=0$, katkendjoon: suhteliselt kõrge veamäär $Q=0.09$ (lähedane kriitilisele väärtusele täiusliku tuvastamise korral $Qaprox0.11$). Kui mittevastavus on väike, on salajase võtme määra langus suhteliselt väike isegi kõrge veamäära korral.
Populaarne kokkuvõte
Siiski on turvalisuse tõendid, mis võtavad arvesse riistvaraseadmete teatud ebatäiuslikkust, endiselt väljakutseid. Üks sellistest puudustest on nn tuvastamise ja efektiivsuse ebakõla, kus kahel ühefootonilisel detektoril on erinev kvantefektiivsus, st erinev footonite tuvastamise tõenäosus. Sellise probleemiga tuleks arvestada, sest kahte absoluutselt identset detektorit on praktiliselt võimatu teha.
Matemaatiliselt on QKD turvatõestus tuvastamise ja efektiivsuse ebakõlaga üldjuhul keeruline, kuna meie käsitletav Hilberti ruum on lõpmatu mõõtmega (piirdimensiooniliseks ruumiks taandamine, mis on võimalik identsete detektorite puhul, siin ei tööta ). Seega oli turvalisuse tõestamiseks vaja põhimõtteliselt uusi lähenemisviise. Peamine selles töös välja pakutud uus meetod on mitmefotoni tuvastamise sündmuste arvu analüütiline piir, kasutades entroopilise määramatuse seoseid. See võimaldab meil taandada probleemi lõplikuks mõõtmeks. Lõpliku mõõtmega ülesande (mis on endiselt mittetriviaalne) analüütiliseks lahendamiseks teeme ettepaneku kasutada ülesande sümmeetriaid.
Seega tõestame selles artiklis BB84 protokolli turvalisust tuvastamise ja tõhususe mittevastavuse korral ja tuletame sel juhul analüütiliselt salajase võtme kiiruse piirid. Samuti kohandame peibutusoleku meetodit tuvastamise ja tõhususe mittevastavuse korral.
► BibTeX-i andmed
► Viited
[1] CH Bennett ja G. Brassard, Kvantkrüptograafia: avaliku võtme jagamine ja müntide viskamine, Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India (IEEE, New York, 1984), lk. 175.
[2] D. Mayers, Kvantvõtmete jaotus ja stringide unustamine mürarikastes kanalites, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv:quant-ph/9606003
[3] D. Mayers, Tingimusteta turvalisus kvantkrüptograafias, JACM. 48, 351 (2001).
https:///doi.org/10.1145/382780.382781
[4] PW Shor ja J. Preskill, BB84 kvantvõtmejaotusprotokolli turvalisuse lihtne tõend, Phys. Rev. Lett. 85, 441 (2000).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Kvantvõtme jaotuse turvalisus, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv:quant-ph/0512258
[6] M. Koashi, Komplementaarsusel põhineva kvantvõtmejaotuse lihtne turvatõend, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin ja R. Renner, Tihe lõpliku võtmega analüüs kvantkrüptograafia jaoks, Nat. Commun. 3, 634 (2012).
https:///doi.org/10.1038/ncomms1631
[8] M. Tomamichel ja A. Leverrier, suures osas iseseisev ja täielik turvatõend kvantvõtmejaotuse kohta, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel ja 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 ja 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 ja Z. Yuan, Praktilised väljakutsed kvantvõtmete jaotamisel, npj Quant. Info 2, 16025 (2016).
https:///doi.org/10.1038/npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo ja J.-W. Pan, turvaline kvantvõtmejaotus realistlike seadmetega, 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 ja G. Leuchs, Rünnakud praktiliste kvantvõtmejaotussüsteemide vastu (ja kuidas neid vältida), Contemporary Physics 57, 366 (2015).
https:///doi.org/10.1080/00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo ja X. Ma, Kvantvõtme jaotuse turvatõend tuvastamise tõhususe mittevastavuse korral, Quant. Info Arvuta. 9, 131 (2009).
http:///dl.acm.org/citation.cfm?id=2021256.2021264
[15] L. Lydersen ja J. Skaar, Kvantvõtmejaotuse turvalisus bitist ja baasist sõltuvate detektori vigadega, Quant. Info Arvuta. 10, 60 (2010).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus ja PJ Coles, Kvantvõtmete jaotuse usaldusväärsed numbrilised võtmemäärad, Quantum 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bochkov ja AS Trushechkin, Kvantvõtme jaotuse turvalisus tuvastamise ja efektiivsuse mittevastavuse korral ühe footoni puhul: ranged piirid, füüsika. Rev. A 99, 032308 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan ja X. Ma, Operational interpretation of koherents in quantum key jaotus, Phys. Rev. A 99, 062325 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder ja N. Lütkenhaus, Squashing mudelid optiliste mõõtmiste jaoks kvantkommunikatsioonis, Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru ja K. Tamaki, Turvatõend lävedetektoritega kvantvõtmejaotussüsteemidele, 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 ja N. Lütkenhaus, Squashing model for detectors and applications to quantum-key-distribution protocols, Phys. Rev. A 89, 012325 (2014).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.89.012325
[22] Y. Zhang, PJ Coles, A. Winick, J. Lin ja N. Lütkenhaus, praktilise kvantvõtme jaotuse turvalisus tuvastamise ja tõhususe mittevastavuse korral, Phys. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma ja N. Lütkenhaus, Unambiguous state diskrimination in quantum cryptography with nõrk koherentsete olekutega, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus ja M. Jahma, Kvantvõtmejaotus realistlike olekutega: footonite arvu statistika footonite arvu jagamise rünnakus, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] H.-K. Lo, X. Ma ja K. Chen, Decoy oleku kvantvõtmejaotus, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Footonite arvu jagamise rünnaku võitmine praktilises kvantkrüptograafias, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao ja H.-K. Lo, Kvantvõtmejaotuse praktiline peibutusseisund, Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi ja X. Ma, Täiustatud võtmekiiruse piirid praktilistele peibutusoleku kvantvõtmejaotussüsteemidele, Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko ja AK Fedorov, praktilised küsimused peibutusseisundi kvantvõtmejaotuses keskse piiriteoreemi alusel, 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 ja P. Villoresi, Lihtne kvantvõtmete jaotus kubitipõhise sünkroonimisega ja isekompenseeriv polarisatsioonikooder, Optica 8, 284–290 (2020).
https:///doi.org/10.1364/OPTICA.381013
[31] Y. Zhang ja N. Lütkenhaus, Põimumise kontrollimine tuvastamise ja tõhususe mittevastavusega, Phys. Rev. A 95, 042319 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi ja R. Renner, Entropy accumulation, Comm. matemaatika. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis ja O. Fawzi, Entroopia akumulatsioon täiustatud teist järku terminiga, IEEE Trans. Info Theory, 65, 7596 (2019).
https:///doi.org/10.1109/TIT.2019.2929564
[34] T. Metger ja R. Renner, Kvantvõtmejaotuse turvalisus üldistatud entroopia akumulatsioonist, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, kvantsüsteemid, kanalid, teave. Matemaatiline sissejuhatus (De Gruyter, Berliin, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma ja HF Chau, praktilised küsimused kvantvõtmejaotuse järeltöötluses, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak ja A. Winter, Salajase võtme destilleerimine ja kvantolekutest takerdumine, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 461, 207 (2005).
https:///doi.org/10.1098/rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard ja ND Mermin, Kvantkrüptograafia ilma Belli teoreemita, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein ja N. Lütkenhaus, Põimumine turvalise kvantvõtmejaotuse eeltingimusena, Phys. Rev. Lett. 92, 217903 (2004).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi ja N. Lütkenhaus, Kvantvõtmete jaotuse sümmeetriad ning seos optimaalsete rünnakute ja optimaalse kloonimise vahel, Phys. Rev. A 85, 052310 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin ja AK Fedorov, sümmeetriline pime teave kvantvõtmejaotuse jaoks, Phys. Rev. Applied 8, 044017 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin ja AK Fedorov, sümmeetriline pime teabe leppimine ja räsifunktsioonil põhinev kontrollimine kvantvõtmejaotuse jaoks, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https:///doi.org/10.1134/S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malõšev, AA Božedarov, NO Pozhar, MN Anufriev ja AK Fedorov, Vigade hindamine kvantvõtmejaotuse teabe leppimise etapis, J. Russ. Laser Res. 39, 558 (2018).
https:///doi.org/10.1007/s10946-018-9752-y
[44] D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lütkenhaus ja J. Preskill, Kvantvõtmete jaotuse turvalisus ebatäiuslike seadmetega, Quant. Info Arvuta. 5, 325 (2004).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes ja R. Renner, Ebakindluse printsiip kvantmälu juuresolekul, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https:///doi.org/10.1038/NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu ja RB Griffiths, Kolmepoolsete süsteemide ja kvantkanalite teabeteoreetiline käsitlus, Phys. Rev. A 83, 062338 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev ja N. Lütkenhaus, Numerical lähenemisviis struktureerimata kvantvõtmejaotuse jaoks, Nat. Commun. 7, 11712 (2016).
https:///doi.org/10.1038/ncomms11712
[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen ja H.-K. Lo, Quantum häkkimine: praktiliste kvantvõtmejaotussüsteemide vastu suunatud aja nihkerünnaku eksperimentaalne demonstratsioon, Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes ja D. Reeb, Kvantrelatiivse entropia monotoonsus positiivsete kaartide all, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen ja JBM Uffik, 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 ja V. Makarov, Turvalisuse lünk vaba ruumi kvantvõtmete jaotuses ruumirežiimi detektori efektiivsuse mittevastavuse tõttu, 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 ja P. Wallden, Advances in quantum cryptography, Adv. Opt. Footon. 12, 1012 (2020).
https:///doi.org/10.1364/AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent ja D. Pitalúa-García, Multiphoton and side-channel attacks in trustful quantum cryptography, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030338
Viidatud
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman ja Rajkumar Buyya, "Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions" arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent ja Damián Pitalúa-García, "Multifotoni ja külgkanali rünnakud umbusaldavas kvantkrüptograafias", PRX Quantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin ja Norbert Lütkenhaus, „Turvalisuse tõend praktilisest kvantvõtmejaotusest tuvastamise ja tõhususe mittevastavusega”, Physical Review Research 3 1, 013076 (2021).
Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2022-07-22 09:35:20). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.
Ei saanud tuua Ristviide viidatud andmete alusel viimase katse ajal 2022-07-22 09:35:19: 10.22331/q-2022-07-22-771 viidatud andmeid ei saanud Crossrefist tuua. See on normaalne, kui DOI registreeriti hiljuti.
See raamat on avaldatud Quantum all Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) litsents. Autoriõigus jääb algsetele autoriõiguste valdajatele, näiteks autoritele või nende institutsioonidele.
