Steklov Mathematical Institute of RAS, Steklov International Mathematical Center, Moskova 119991, Venäjä
Matematiikan laitos ja kvanttiviestinnän NTI-keskus, Kansallinen tiede- ja teknologiayliopisto MISIS, Moskova 119049, Venäjä
QRate, Skolkovo, Moskova 143025, Venäjä
Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.
Abstrakti
Havaitsemisen ja tehokkuuden epäsuhta on yleinen ongelma käytännön kvanttiavainjakelujärjestelmissä (QKD). Nykyiset QKD:n turvatodisteet, joissa havaitsemis-tehokkuus ei vastaa toisiaan, perustuvat joko yhden fotonin valonlähteen oletukseen lähettäjäpuolella tai oletukseen, että vastaanotinpuolen yhden fotonin tulo on. Nämä oletukset rajoittavat mahdollisten salakuuntelustrategioiden luokkaa. Tässä esittelemme tiukan turvatodisteen ilman näitä oletuksia ja ratkaisemme siten tämän tärkeän ongelman ja todistamme QKD:n turvallisuuden havaitsemisen ja tehokkuuden epäsuhtaudella yleisiä hyökkäyksiä vastaan (asymptoottisessa järjestelmässä). Erityisesti sovitamme houkutustilamenetelmän havaitsemisen ja tehokkuuden yhteensopimattomuuteen.
Suositeltu kuva: Salaisen avainnopeuden lasku havaitsemistehokkuus-epäsopivuustapauksessa suhteessa ei-yhteensopivuustapaukseen: Salaisen avainnopeuden suhde epäsopivuustapauksessa ilmaisimen tehokkuuksien 1 ja $eta$ kanssa salaisen avaimen taajuuteen no-mismatch-tapaus, jossa molemmat hyötysuhteet ovat $(1+eta)/2$. Tasainen viiva: ei virheitä $Q=0$, katkoviiva: suhteellisen korkea virheprosentti $Q=0.09$ (lähellä kriittistä arvoa täydellisen havaitsemisen tapauksessa $Qapprox0.11$). Jos epäsuhta on pieni, niin salaisen avainsuhteen lasku on suhteellisen pieni jopa korkeilla virhetasoilla.
Suosittu yhteenveto
Turvatodisteet, jotka ottavat huomioon tietyt laitteiston epätäydellisyydet, ovat kuitenkin edelleen haastavia. Yksi tällaisista epätäydellisyyksistä on ns. ilmaisu-tehokkuusero, jossa kahdella yksifotonidetektorilla on erilaiset kvanttitehokkuudet eli erilaiset fotonien havaitsemisen todennäköisyydet. Tällainen ongelma on otettava huomioon, koska on käytännössä mahdotonta valmistaa kahta täysin identtistä ilmaisinta.
Matemaattisesti turvallisuustodiste QKD:lle, jossa havaitsemis-tehokkuus ei vastaa yleistä tapausta, on haastava, koska käsittelemämme Hilbert-avaruus on äärettömän ulotteinen (pienentäminen äärellisulotteiseksi avaruuteen, joka on mahdollista identtisten ilmaisimien tapauksessa, ei toimi tässä ). Tarvittiin siis täysin uusia lähestymistapoja turvallisuuden todistamiseen. Tärkein tässä työssä ehdotettu uusi menetelmä on monifotonien havaitsemistapahtumien lukumäärän analyyttinen rajaus entrooppisten epävarmuussuhteiden avulla. Tämä antaa meille mahdollisuuden vähentää ongelman äärellisulotteiseksi. Äärillisulotteisen ongelman (joka on edelleen ei-triviaali) analyyttiseen ratkaisuun ehdotamme ongelman symmetrioiden käyttöä.
Näin ollen tässä artikkelissa todistamme BB84-protokollan turvallisuuden havaitsemisen ja tehokkuuden epäsuhtaudella ja johdamme analyyttisesti rajat salaiselle avainnopeudelle tässä tapauksessa. Lisäksi sovitamme houkutustilamenetelmän havaitsemisen ja tehokkuuden yhteensopimattomuuteen.
► BibTeX-tiedot
► Viitteet
[1] CH Bennett ja G. Brassard, Quantum cryptography: Julkisen avaimen jakelu ja kolikonheitto, Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, Intia (IEEE, New York, 1984), s. 175.
[2] D. Mayers, Kvanttiavainten jakelu ja merkkijonojen huomaamaton siirto meluisissa kanavissa, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv: kvant-ph / 9606003
[3] D. Mayers, Ehdoton turvallisuus kvanttisalauksessa, JACM. 48, 351 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1145 / +382780.382781
[4] PW Shor ja J. Preskill, Yksinkertainen todiste BB84 kvanttiavaimen jakeluprotokollan turvallisuudesta, Phys. Rev. Lett. 85, 441 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Kvanttiavainten jakelun turvallisuus, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv: kvant-ph / 0512258
[6] M. Koashi, Yksinkertainen tietoturvatodiste täydentävyyteen perustuvasta kvanttiavaimen jakautumisesta, 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, Tight finite-key analysis for quantum cryptography, Nat. Commun. 3, 634 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1631
[8] M. Tomamichel ja A. Leverrier, suurelta osin itsenäinen ja täydellinen tietoturvatodiste kvanttiavainten jakelulle, 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-salaus, 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, Käytännön haasteita kvanttiavaimen jakelussa, npj Quant. Inf. 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, Suojattu kvanttiavainten jakelu realistisilla laitteilla, 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, Hyökkäykset käytännön kvanttiavainten jakelujärjestelmiin (ja kuinka estää niitä), 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, Suojaustodistus kvanttiavaimen jakautumisesta havaitsemistehokkuuden epäsuhtaudella, Quant. Inf. Comput. 9, 131 (2009).
http: / / dl.acm.org/ citation.cfm? id = +2021256.2021264
[15] L. Lydersen ja J. Skaar, Kvanttiavainjakelun turvallisuus bitti- ja kantariippuvaisilla ilmaisinvirheillä, Quant. Inf. Comput. 10, 60 (2010).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus ja PJ Coles, Luotettavat numeeriset avainnopeudet kvanttiavainten jakeluun, Quantum 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bochkov ja AS Trushechkin, Kvanttiavainjakauman suojaus havaitsemisen ja tehokkuuden epäsopivuuden kanssa yhden fotonin tapauksessa: Tiukat rajat, Phys. Rev. A 99, 032308 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan ja X. Ma, Operatiivinen tulkinta koherenssista kvanttiavaimen jakaumassa, Phys. Rev. A 99, 062325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder ja N. Lütkenhaus, Squashing mallit optisiin mittauksiin kvanttiviestinnässä, Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru ja K. Tamaki, Turvallisuustodistus kvanttiavaimen jakelujärjestelmille kynnysilmaisimilla, 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-malli ilmaisimille ja sovelluksille kvanttiavaimen jakeluprotokolliin, 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, Turvatodiste käytännön kvanttiavainten jakamisesta havaitsemisen ja tehokkuuden epäsuhtaudella, Phys. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma ja N. Lütkenhaus, Unambiguous state discrimination in quantum cryptography with heikko koherentit tilat, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus ja M. Jahma, Kvanttiavainjakauma realistisilla tiloilla: fotonilukutilastot fotonilukujen jakautumishyökkäyksessä, 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-tilan kvanttiavaimen jakelu, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Fotonien lukumäärän jakamisen hyökkäys käytännön kvanttisalaustekniikassa, 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, Käytännön houkutustila kvanttiavaimen jakelulle, Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi ja X. Ma, Parannetut avainnopeuden rajat käytännön houkutustilan kvanttiavaimen jakelujärjestelmille, Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko ja AK Fedorov, Käytännön kysymyksiä houkutustila-kvanttiavaimen jakaumassa keskeisen rajalauseen perusteella, 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, Yksinkertainen kvanttiavainten jakelu qubit-pohjaisella synkronoinnilla ja itsekompensoiva polarisaatiokooderi, Optica 8, 284–290 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.381013
[31] Y. Zhang ja N. Lütkenhaus, Entanglement verification with detection-efficiency mismatch, Phys. Rev. A 95, 042319 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi ja R. Renner, Entropy ccumulation, Comm. Matematiikka. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis ja O. Fawzi, Entropy ccumulation with parannettu toisen asteen termi, IEEE Trans. Inf. Theory 65, 7596 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2929564
[34] T. Metger ja R. Renner, Kvanttiavainjakauman turvallisuus yleistetystä entropian kertymisestä, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, kvanttijärjestelmät, kanavat, tiedot. Matemaattinen johdanto (De Gruyter, Berliini, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma ja HF Chau, Käytännön kysymyksiä kvanttiavaimen jakelun jälkikäsittelyssä, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak ja A. Winter, Salaisen avaimen tislaus ja kvanttitiloista takertuminen, Proc. R. Soc. Lontoo, Ser. A, 461, 207 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard ja ND Mermin, Quantum cryptography ilman Bellin lausetta, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein ja N. Lütkenhaus, Entanglement as a edellytys turvalliselle kvanttiavainten jakelulle, Phys. Rev. Lett. 92, 217903 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi ja N. Lütkenhaus, Symmetries in kvanttiavaimen jakauma ja yhteys optimaalisten hyökkäysten ja optimaalisen kloonauksen välillä, 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, Symmetric sokea tiedon täsmäytys kvanttiavaimen jakelua varten, Phys. Rev. Applied 8, 044017 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin ja AK Fedorov, Symmetric sokea tiedon täsmäytys ja hajautusfunktiopohjainen todentaminen kvanttiavaimen jakelulle, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1134 / S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev ja AK Fedorov, Error estimation at the information Reconciliation vaiheessa kvanttiavaimen jakelu, 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, Security of quantum key jakelu epätäydellisillä laitteilla, Quant. Inf. Comput. 5, 325 (2004).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes ja R. Renner, Epävarmuusperiaate kvanttimuistin läsnäolossa, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu ja RB Griffiths, Kolmiosaisten järjestelmien ja kvanttikanavien informaatioteoreettinen käsittely, Phys. Rev. A 83, 062338 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev ja N. Lütkenhaus, Numeerinen lähestymistapa strukturoimattomaan kvanttiavainten jakaumaan, 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 hakkerointi: Kokeellinen esittely aikasiirtohyökkäyksestä käytännön kvanttiavaimen jakelujärjestelmiä vastaan, Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes ja D. Reeb, Kvanttisuhteellisen entropian monotonisuus positiivisten karttojen alla, 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, Turvallisuusporsaan vapaan tilan kvanttiavaimen jakaumassa spatiaalisen tilan ilmaisimen tehokkuuden epäsuhtaisuudesta, 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. Valita. Fotoni. 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
Viitattu
[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, "Multiphoton and Side-Channel Attacks in Trustful Quantum Cryptography", PRX Quantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin ja Norbert Lütkenhaus, "Security proof of gyakorlat kvanttiavainten jakamisesta havaitsemisen ja tehokkuuden epäsuhtaisuuden kanssa", Fyysisen tarkastelun tutkimus 3 1, 013076 (2021).
Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2022-07-22 09:35:20). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.
Ei voitu noutaa Crossref siteeratut tiedot viimeisen yrityksen aikana 2022-07-22 09:35:19: Ei voitu noutaa viittauksia 10.22331 / q-2022-07-22-771 mainittuihin tietoihin Crossrefiltä. Tämä on normaalia, jos DOI rekisteröitiin äskettäin.
Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.
