موسسه ریاضی استکلوف RAS، مرکز بین المللی ریاضی استکلوف، مسکو 119991، روسیه
گروه ریاضیات و مرکز NTI برای ارتباطات کوانتومی، دانشگاه ملی علم و فناوری MISIS، مسکو 119049، روسیه
QRate، Skolkovo، مسکو 143025، روسیه
این مقاله را جالب می دانید یا می خواهید بحث کنید؟ SciRate را ذکر کنید یا در SciRate نظر بدهید.
چکیده
عدم تطابق کارآیی تشخیص یک مشکل رایج در سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی (QKD) است. اثبات‌های امنیتی فعلی QKD با عدم تطابق کارآیی تشخیص یا بر فرض منبع نور تک فوتون در سمت فرستنده یا بر فرض ورودی تک فوتون سمت گیرنده تکیه می‌کنند. این مفروضات محدودیت هایی را بر طبقه استراتژی های احتمالی استراق سمع تحمیل می کند. در اینجا ما یک مدرک امنیتی دقیق را بدون این مفروضات ارائه می کنیم و بنابراین، این مشکل مهم را حل می کنیم و امنیت QKD را با عدم تطابق کارآیی تشخیص در برابر حملات عمومی (در رژیم مجانبی) اثبات می کنیم. به طور خاص، ما روش حالت فریب را با موارد عدم تطابق تشخیص و کارایی تطبیق می دهیم.
تصویر ویژه: کاهش نرخ کلید مخفی در مورد تشخیص کارایی-عدم تطابق با توجه به حالت عدم تطابق: نسبت نرخ کلید مخفی در مورد عدم تطابق با بازده آشکارساز 1 و $eta$ به نرخ کلید مخفی در مورد بدون عدم تطابق با هر دو بازده برابر با $(1+eta)/2$ است. خط ثابت: بدون خطا $Q=0$، خط چین: نرخ خطا نسبتاً بالا $Q=0.09$ (نزدیک به مقدار بحرانی برای مورد تشخیص کامل $Qapprox0.11$). اگر عدم تطابق کم باشد، کاهش نرخ کلید مخفی حتی برای میزان خطای بالا نسبتاً کم است.
خلاصه محبوب
با این حال، مدارک امنیتی که نقص خاصی از دستگاه های سخت افزاری را در نظر می گیرند هنوز چالش برانگیز هستند. یکی از این عیوب به نام عدم تطابق کارآیی آشکارسازی است، که در آن دو آشکارساز تک فوتونی بازده کوانتومی متفاوتی دارند، یعنی احتمالات تشخیص فوتون متفاوت است. چنین مشکلی باید در نظر گرفته شود زیرا ساخت دو آشکارساز کاملاً یکسان عملاً غیرممکن است.
از نظر ریاضی، اثبات امنیتی برای QKD با عدم تطابق کارآیی تشخیص برای حالت کلی چالش برانگیز است زیرا فضای هیلبرت که با آن سروکار داریم بی‌بعد است (کاهش به فضای محدود بعدی که برای مورد آشکارسازهای یکسان ممکن است در اینجا کار نمی‌کند. ). بنابراین، اساساً رویکردهای جدیدی برای اثبات امنیت مورد نیاز بود. روش جدید اصلی پیشنهاد شده در این کار، یک مرز تحلیلی از تعداد رویدادهای تشخیص چند فوتونی با استفاده از روابط عدم قطعیت آنتروپیک است. این به ما اجازه می دهد تا مشکل را به یک بعد محدود کاهش دهیم. برای حل تحلیلی مسئله بعد محدود (که هنوز هم بی اهمیت است)، پیشنهاد می کنیم از تقارن های مسئله استفاده کنیم.
بنابراین، در این مقاله، ما امنیت پروتکل BB84 را با عدم تطابق کارآیی تشخیص اثبات می کنیم و به صورت تحلیلی مرزهایی را برای نرخ کلید مخفی در این مورد استخراج می کنیم. همچنین ما روش حالت فریب را با موارد عدم تطابق تشخیص و کارایی تطبیق می دهیم.
► داده های BibTeX
◄ مراجع
[1] CH Bennett و G. Brassard، رمزنگاری کوانتومی: توزیع کلید عمومی و پرتاب سکه، در مجموعه مقالات کنفرانس بین المللی IEEE در مورد کامپیوترها، سیستم ها و پردازش سیگنال، بنگلور، هند (IEEE، نیویورک، 1984)، ص. 175.
[2] D. Mayers، توزیع کلید کوانتومی و انتقال فراموشی رشته در کانال های نویز، arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv:quant-ph/9606003
[3] D. Mayers، امنیت بدون قید و شرط در رمزنگاری کوانتومی، JACM. 48, 351 (2001).
https://doi.org/10.1145/382780.382781
[4] PW Shor و J. Preskill، اثبات ساده امنیت پروتکل توزیع کلید کوانتومی BB84، Phys. کشیش لِت 85, 441 (2000).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner، امنیت توزیع کلید کوانتومی، arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv:quant-ph/0512258
[6] M. Koashi، اثبات امنیتی ساده توزیع کلید کوانتومی بر اساس مکمل، New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel، CCW Lim، N. Gisin و R. Renner، تحلیل کلید محدود محکم برای رمزنگاری کوانتومی، Nat. اشتراک. 3, 634 (2012).
https://doi.org/10.1038/ncomms1631
[8] M. Tomamichel و A. Leverrier، یک اثبات امنیتی کاملا مستقل و کامل برای توزیع کلید کوانتومی، Quantum 1، 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin، G. Ribordy، W. Tittel، و H. Zbinden، رمزنگاری کوانتومی، Rev. Mod. فیزیک 74، 145 (2002).
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.145
[10] V. Scarani، H. Bechmann-Pasquinucci، NJ Cerf، M. Dusek، N. Lütkenhaus، و M. Peev، رمزنگاری کوانتومی، Rev. Mod. فیزیک 81, 1301 (2009).
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1301
[11] E. Diamanti، H.-K. Lo، B. Qi و Z. Yuan، چالش های عملی در توزیع کلید کوانتومی، npj Quant. Inf. 2, 16025 (2016).
https://doi.org/10.1038/npjqi.2016.25
[12] F. Xu، X. Ma، Q. Zhang، H.-K. لو، و J.-W. Pan، توزیع ایمن کلید کوانتومی با دستگاه های واقعی، Rev. Mod. فیزیک 92, 025002 (2020).
https://doi.org/10.1103/RevModPhys.92.025002
[13] N. Jain، B. Stiller، I. Khan، D. Elser، C. Marquardt و G. Leuchs، حملات به سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی عملی (و نحوه جلوگیری از آنها)، فیزیک معاصر 57، 366 (2015).
https://doi.org/10.1080/00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung، K. Tamaki، B. Qi، H.-K. Lo، و X. Ma، اثبات امنیتی توزیع کلید کوانتومی با عدم تطابق کارایی تشخیص، Quant. Inf. محاسبه کنید. 9, 131 (2009).
http://dl.acm.org/citation.cfm?id=2021256.2021264
[15] L. Lydersen و J. Skaar، امنیت توزیع کلید کوانتومی با نقص آشکارساز وابسته به بیت و پایه، کوانت. Inf. محاسبه کنید. 10, 60 (2010).
https://dl.acm.org/doi/10.5555/2011438.2011443
[16] A. Winick، N. Lütkenhaus، و PJ Coles، نرخ کلید عددی قابل اعتماد برای توزیع کلید کوانتومی، Quantum 2، 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bochkov و AS Trushechkin، امنیت توزیع کلید کوانتومی با عدم تطابق کارآیی تشخیص در مورد تک فوتون: محدودیت‌های محکم، فیزیک. Rev. A 99, 032308 (2019).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma، Y. Zhou، X. Yuan، و X. Ma، تفسیر عملیاتی انسجام در توزیع کلید کوانتومی، فیزیک. Rev. A 99, 062325 (2019).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry، T. Moroder، و N. Lütkenhaus، مدل‌های Squashing برای اندازه‌گیری‌های نوری در ارتباطات کوانتومی، فیزیک. کشیش لِت 101, 093601 (2008).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru و K. Tamaki، اثبات امنیتی برای سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی با آشکارسازهای آستانه، فیزیک. Rev. A 78, 032302 (2008).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.78.032302
[21] O. Gittsovich، NJ Beaudry، V. Narasimhachar، RR Alvarez، T. Moroder، و N. Lütkenhaus، مدل Squashing برای آشکارسازها و کاربردها در پروتکل های توزیع کلید کوانتومی، فیزیک. Rev. A 89, 012325 (2014).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.89.012325
[22] Y. Zhang، PJ Coles، A. Winick، J. Lin و N. Lütkenhaus، اثبات امنیتی توزیع کلید کوانتومی عملی با عدم تطابق کارایی تشخیص، فیزیک. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek، M. Jahma، و N. Lütkenhaus، تبعیض حالت بدون ابهام در رمزنگاری کوانتومی با حالات منسجم ضعیف، فیزیک. Rev. A 62, 022306 (2000).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus و M. Jahma، توزیع کلید کوانتومی با حالت‌های واقعی: آمار عدد فوتون در حمله تقسیم فوتون به عدد، New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] H.-K. Lo، X. Ma، و K. Chen، توزیع کلید کوانتومی حالت فریب، Phys. کشیش لِت 94, 230504 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. وانگ، شکست حمله تقسیم فوتون در رمزنگاری کوانتومی عملی، فیزیک. کشیش لِت 94, 230503 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma، B. Qi، Y. Zhao، و H.-K. Lo, حالت فریب عملی برای توزیع کلید کوانتومی, Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang، Q. Zhao، M. Razavi، و X. Ma، مرزهای نرخ کلید بهبود یافته برای سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی حالت فریب، Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin، EO Kiktenko، و AK Fedorov، مسائل عملی در توزیع کلید کوانتومی حالت فریب بر اساس قضیه حد مرکزی، 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، و P. Villoresi، توزیع کلید کوانتومی ساده با همگام سازی مبتنی بر کیوبیت و یک رمزگذار قطبش خود جبرانی، Optica 8، 284-290 (2020).
https://doi.org/10.1364/OPTICA.381013
[31] Y. Zhang و N. Lütkenhaus، راستی‌آزمایی درهم تنیدگی با عدم تطابق کارآیی تشخیص، Phys. Rev. A 95, 042319 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi, and R. Renner, Entropy accumulation, Comm. ریاضی. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis و O. Fawzi، تجمع آنتروپی با عبارت مرتبه دوم بهبود یافته، IEEE Trans. Inf. نظریه 65، 7596 (2019).
https://doi.org/10.1109/TIT.2019.2929564
[34] T. Metger و R. Renner، امنیت توزیع کلید کوانتومی از تجمع آنتروپی تعمیم یافته، arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo، سیستم های کوانتومی، کانال ها، اطلاعات. یک مقدمه ریاضی (دی گروتر، برلین، 2012).
[36] CHF Fung، X. Ma، و HF Chau، مسائل عملی در پس پردازش توزیع کلید کوانتومی، فیزیک. Rev. A 81, 012318 (2010).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak و A. Winter، تقطیر کلید مخفی و درهم تنیدگی از حالت های کوانتومی، Proc. R. Soc. لندن، سر. A, 461, 207 (2005).
https://doi.org/10.1098/rspa.2004.1372
[38] CH Bennett، G. Brassard و ND Mermin، رمزنگاری کوانتومی بدون قضیه بل، فیزیک. کشیش لِت 68, 557 (1992).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty، M. Lewenstein و N. Lütkenhaus، درهم تنیدگی به عنوان پیش شرط برای توزیع امن کلید کوانتومی، Phys. کشیش لِت 92, 217903 (2004).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi و N. Lütkenhaus، تقارن در توزیع کلید کوانتومی و ارتباط بین حملات بهینه و شبیه سازی بهینه، فیزیک. Rev. A 85, 052310 (2012).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko، AS Trushechkin، CCW Lim، YV Kurochkin، و AK Fedorov، تطبیق اطلاعات کور متقارن برای توزیع کلید کوانتومی، Phys. Rev. Applied 8, 044017 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko، AS Trushechkin، و AK Fedorov، تطبیق اطلاعات کور متقارن و تأیید مبتنی بر عملکرد هش برای توزیع کلید کوانتومی، Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https://doi.org/10.1134/S1995080218070107
[43] EO Kiktenko، AO Malyshev، AA Bozhedarov، NO Pozhar، MN Anufriev و AK Fedorov، تخمین خطا در مرحله تطبیق اطلاعات توزیع کلید کوانتومی، J. Russ. لیزر Res. 39, 558 (2018).
https://doi.org/10.1007/s10946-018-9752-y
[44] D. Gottesman، H.-K. لو، N. Lütkenhaus و J. Preskill، امنیت توزیع کلید کوانتومی با دستگاه های ناقص، Quant. Inf. محاسبه کنید. 5, 325 (2004).
https://dl.acm.org/doi/10.5555/2011586.2011587
[45] M. Berta، M. Christandl، R. Colbeck، JM Renes و R. Renner، اصل عدم قطعیت در حضور حافظه کوانتومی، Nature Phys. 6, 659 (2010).
https://doi.org/10.1038/NPHYS1734
[46] PJ Coles، L. Yu، V Gheorghiu و RB Griffiths، درمان نظری اطلاعاتی سیستم‌های سه‌جانبه و کانال‌های کوانتومی، فیزیک. Rev. A 83, 062338 (2011).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles، EM Metodiev، و N. Lütkenhaus، رویکرد عددی برای توزیع کلید کوانتومی بدون ساختار، Nat. اشتراک. 7, 11712 (2016).
https://doi.org/10.1038/ncomms11712
[48] Y. Zhao، CHF Fung، B. Qi، C. Chen، و H.-K. لو، هک کوانتومی: نمایش آزمایشی حمله شیفت زمانی علیه سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی عملی، Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https://doi.org/10.1103/PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes and D. Reeb، یکنواختی آنتروپی نسبی کوانتومی تحت نقشه های مثبت، Annales Henri Poincaré 18، 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen و JBM Uffink، روابط عدم قطعیت آنتروپیک تعمیم یافته، فیزیک. کشیش لِت 60, 1103 (1988).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.60.1103
[51] S. Sajeed، P. Chaiwongkhot، J.-P. Bourgoin، T. Jennewein، N. Lütkenhaus، و V. Makarov، حفره امنیتی در توزیع کلید کوانتومی فضای آزاد به دلیل عدم تطابق آشکارساز-بازده حالت فضایی، فیزیک. 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. رضوی، J. شمسول شعاری , M. Tomamichel, VC Usenko, G. Vallone, P. Villoresi, and P. Wallden, Advances in quantum cryptography, Adv. انتخاب کنید فوتون. 12, 1012 (2020).
https://doi.org/10.1364/AOP.361502
[53] M. Bozzio، A. Cavaillés، E. Diamanti، A. Kent و D. Pitalúa-García، حملات چند فوتونی و کانال جانبی در رمزنگاری کوانتومی بی اعتماد، PRX Quantum 2، 030338 (2021).
https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030338
ذکر شده توسط
[1] سوخپال سینگ گیل، آدارش کومار، هارویندر سینگ، مانمیت سینگ، کمالپریت کائور، محمد عثمان و راجکومار بویا، "محاسبات کوانتومی: طبقه بندی، بررسی سیستماتیک و جهت گیری های آینده" arXiv: 2010.15559.
[2] متیو بوزیو، آدرین کاوایلس، النی دیامانتی، آدریان کنت، و دامیان پیتالوآ-گارسیا، «حملات چندفوتونی و کانال جانبی در رمزنگاری کوانتومی بی اعتماد»، PRX Quantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang، Patrick J. Coles، Adam Winick، Jie Lin و Norbert Lütkenhaus، "اثبات امنیتی توزیع کلید کوانتومی عملی با عدم تطابق کارایی تشخیص"، تحقیقات مروری فیزیکی 3 1، 013076 (2021).
نقل قول های بالا از SAO/NASA Ads (آخرین به روز رسانی با موفقیت 2022-07-22 09:35:20). فهرست ممکن است ناقص باشد زیرا همه ناشران داده های استنادی مناسب و کاملی را ارائه نمی دهند.
واکشی نشد داده های استناد شده متقاطع در آخرین تلاش 2022-07-22 09:35:19: داده های استناد شده برای 10.22331/q-2022-07-22-771 از Crossref دریافت نشد. اگر DOI اخیراً ثبت شده باشد، طبیعی است.
این مقاله در Quantum تحت عنوان منتشر شده است Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) مجوز. حق چاپ نزد دارندگان حق چاپ اصلی مانند نویسندگان یا مؤسسات آنها باقی می ماند.
