Steklov Matematikai Intézet RAS, Steklov Nemzetközi Matematikai Központ, Moszkva 119991, Oroszország
Matematikai Tanszék és NTI Kvantumkommunikációs Központ, MISIS Nemzeti Tudományos és Technológiai Egyetem, Moszkva 119049, Oroszország
QRate, Skolkovo, Moszkva 143025, Oroszország
Érdekesnek találja ezt a cikket, vagy szeretne megvitatni? Scite vagy hagyjon megjegyzést a SciRate-en.
Absztrakt
Az észlelési-hatékonysági eltérés gyakori probléma a gyakorlati kvantumkulcs-elosztási (QKD) rendszerekben. A QKD jelenlegi biztonsági bizonyítékai az észlelési-hatékonysági eltéréssel vagy az egyfoton fényforrás feltételezésén alapulnak a küldő oldalon, vagy a vevőoldali egyfoton bemeneten. Ezek a feltételezések korlátozzák a lehetséges lehallgatási stratégiák osztályát. Itt bemutatunk egy szigorú biztonsági bizonyítékot ezen feltételezések nélkül, és így megoldjuk ezt a fontos problémát, és bizonyítjuk a QKD biztonságát az általános támadásokkal szembeni észlelési-hatékonysági eltéréssel (aszimptotikus rendszerben). A csali állapot módszerét különösen az észlelési-hatékonysági eltérés esetére igazítjuk.
Kiemelt kép: A titkos kulcs arányának csökkenése az észlelési hatékonyság-eltérés esetben a nem megfelelő esethez képest: A titkos kulcs arányának aránya az 1. és $eta$ detektorhatékonyságokkal való eltérés esetén a titkos kulcs arányához a no-mismatch eset, ahol mindkét hatásfok egyenlő $(1+eta)/2$. Folyamatos vonal: nincs hiba $Q=0$, szaggatott vonal: viszonylag magas hibaarány $Q=0.09$ (közel a kritikus értékhez tökéletes észlelés esetén $Qapprox0.11$). Ha az eltérés kicsi, akkor a titkos kulcs arányának csökkenése még magas hibaarányok esetén is viszonylag kicsi.
Népszerű összefoglaló
A hardvereszközök bizonyos tökéletlenségeit figyelembe vevő biztonsági igazolások azonban továbbra is kihívást jelentenek. Az egyik ilyen tökéletlenség az úgynevezett észlelési-hatékonysági eltérés, ahol két egyfoton detektor eltérő kvantumhatékonysággal, azaz eltérő fotondetektálási valószínűséggel rendelkezik. Egy ilyen problémát figyelembe kell venni, mert gyakorlatilag lehetetlen két teljesen egyforma detektort készíteni.
Matematikailag a QKD biztonsági bizonyítása az észlelés-hatékonyság eltérésével az általános esetben kihívást jelent, mivel az általunk kezelt Hilbert-tér végtelen dimenziós (az azonos detektorok esetében lehetséges véges dimenziós térre való redukció itt nem működik ). Tehát alapvetően új megközelítésekre volt szükség a biztonság bizonyításához. A jelen munkában javasolt fő új módszer a többfoton detektálási események számának analitikus korlátja az entrópikus bizonytalansági összefüggések segítségével. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a problémát véges dimenzióssá redukáljuk. A (még mindig nem triviális) véges dimenziós probléma analitikus megoldásához a probléma szimmetriáinak használatát javasoljuk.
Így ebben a cikkben bizonyítjuk a BB84 protokoll biztonságát az észlelési-hatékonysági eltéréssel, és ebben az esetben analitikusan levezetjük a titkos kulcs sebességének határait. A csali állapot módszerét is adaptáljuk az észlelési-hatékonysági eltérés esetére.
► BibTeX adatok
► Referenciák
[1] C. H. Bennett és G. Brassard, Quantum cryptography: Public Key Distribution and coin tossing, Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India (IEEE, New York, 1984), p. 175.
[2] D. Mayers, Kvantumkulcs-eloszlás és húrok figyelmen kívül hagyása zajos csatornákban, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv:quant-ph/9606003
[3] D. Mayers, Feltétel nélküli biztonság a kvantumkriptográfiában, JACM. 48, 351 (2001).
https:///doi.org/10.1145/382780.382781
[4] P. W. Shor és J. Preskill, A BB84 kvantumkulcs-elosztási protokoll biztonságának egyszerű bizonyítéka, Phys. Rev. Lett. 85, 441 (2000).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, A kvantumkulcs-elosztás biztonsága, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv:quant-ph/0512258
[6] M. Koashi, A kvantumkulcsok komplementaritáson alapuló elosztásának egyszerű biztonsági bizonyítéka, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, C. C. W. Lim, N. Gisin és R. Renner, Tight finite-key analysis for quantum cryptography, Nat. Commun. 3, 634 (2012).
https:///doi.org/10.1038/ncomms1631
[8] M. Tomamichel és A. Leverrier, Nagyrészt önálló és teljes biztonsági bizonyíték a kvantumkulcs-elosztáshoz, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel és H. Zbinden, Quantum cryptography, Rev. Mod. Phys. 74, 145 (2002).
https:///doi.org/10.1103/RevModPhys.74.145
[10] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, N. J. Cerf, M. Dusek, N. Lütkenhaus és 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 és Z. Yuan, Gyakorlati kihívások a kvantumkulcs-elosztásban, npj Quant. Inf. 2, 16025 (2016).
https:///doi.org/10.1038/npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo és J.-W. Pan, Biztonságos kvantumkulcs-elosztás valósághű eszközökkel, 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 és G. Leuchs, Attacks on gyakorlati kvantumkulcs-elosztó rendszerek (és hogyan lehet őket megelőzni), Contemporary Physics 57, 366 (2015).
https:///doi.org/10.1080/00107514.2016.1148333
[14] C. H. F. Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo és X. Ma, Biztonsági bizonyíték a kvantumkulcs-elosztásra a detektálási hatékonyság eltérésével, Quant. Inf. Comput. 9, 131 (2009).
http:///dl.acm.org/citation.cfm?id=2021256.2021264
[15] L. Lydersen és J. Skaar, Kvantumkulcs-elosztás biztonsága bit- és bázisfüggő detektorhibákkal, Quant. Inf. Comput. 10, 60 (2010).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus és P. J. Coles, Reliable numerical key rates for quantum key distribution, Quantum 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] M. K. Bochkov és A. S. Trushechkin, Kvantumkulcs-elosztás biztonsága detektálás-hatékonyság eltéréssel az egyfoton esetében: Tight bounds, Phys. Rev. A 99, 032308 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan és X. Ma: A kvantumkulcs-eloszlás koherenciájának operatív értelmezése, Phys. Rev. A 99, 062325 (2019).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.99.062325
[19] N. J. Beaudry, T. Moroder és N. Lütkenhaus, Squashing models for optikai mérések kvantumkommunikációban, Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru és K. Tamaki, Biztonsági bizonyíték küszöbérzékelőkkel ellátott kvantumkulcs-elosztó rendszerekhez, Phys. Rev. A 78, 032302 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.78.032302
[21] O. Gittsovich, N. J. Beaudry, V. Narasimhachar, R. R. Alvarez, T. Moroder és 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, P. J. Coles, A. Winick, J. Lin és N. Lütkenhaus, Biztonsági bizonyíték a gyakorlati kvantumkulcs-elosztásról detektálás-hatékonyság eltéréssel, Phys. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma és N. Lütkenhaus, Unambiguous state discrimination in kvantumkriptográfia gyenge koherens állapotokkal, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus és M. Jahma, Kvantumkulcs-eloszlás valósághű állapotokkal: fotonszám-statisztika a fotonszám hasadási támadásban, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] H.-K. Lo, X. Ma és K. Chen, Decoy állapotú kvantumkulcs-eloszlás, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, A fotonszám-hasadás elleni támadás legyőzése a gyakorlati kvantumkriptográfiában, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao és H.-K. Lo, Gyakorlati csali állapot kvantumkulcs-elosztáshoz, Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi és X. Ma, Javított kulcssebesség-határok gyakorlati csali állapotú kvantumkulcs-elosztó rendszerekben, Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.95.012333
[29] A. S. Trushechkin, E. O. Kiktenko és A. K. Fedorov, Gyakorlati kérdések a csali-állapotú kvantumkulcs-eloszlásban a központi határtétel alapján, 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 és P. Villoresi, Egyszerű kvantumkulcs-elosztás qubit-alapú szinkronizálással és egy önkompenzáló polarizációs kódoló, Optica 8, 284–290 (2020).
https:///doi.org/10.1364/OPTICA.381013
[31] Y. Zhang és 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 és R. Renner, Entropy accumulation, Comm. Math. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis és O. Fawzi, Entrópiafelhalmozás javított másodrendű kifejezéssel, IEEE Trans. Inf. Theory 65, 7596 (2019).
https:///doi.org/10.1109/TIT.2019.2929564
[34] T. Metger és R. Renner, Kvantumkulcs-eloszlás biztonsága általános entrópiafelhalmozásból, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] A. S. Holevo, Quantum Systems, Channels, Information. Matematikai bevezetés (De Gruyter, Berlin, 2012).
[36] C. H. F. Fung, X. Ma és H. F. Chau, Gyakorlati kérdések a kvantumkulcs-elosztás utófeldolgozásában, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak és A. Winter, Destillation of secret key and entanglement from quantum states, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 461, 207 (2005).
https:///doi.org/10.1098/rspa.2004.1372
[38] C. H. Bennett, G. Brassard és N. D. Mermin, Quantum cryptography without Bell’s theorem, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein és N. Lütkenhaus, Entanglement as a előfeltétele a biztonságos kvantumkulcs-elosztásnak, Phys. Rev. Lett. 92, 217903 (2004).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.217903
[40] Ferenczi A. és Lütkenhaus N., Szimmetriák a kvantumkulcs-eloszlásban és az optimális támadások és az optimális klónozás kapcsolata, Phys. Rev. A 85, 052310 (2012).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.85.052310
[41] E. O. Kiktenko, A. S. Trushechkin, C. C. W. Lim, Y. V. Kurochkin és A. K. Fedorov, Symmetric blind information conciliation for quantum key distribution, Phys. Rev. Applied 8, 044017 (2017).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.044017
[42] E. O. Kiktenko, A. S. Trushechkin és A. K. Fedorov, Symmetric blind information conciliation and hash-function-based verification for quantum key distribution, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https:///doi.org/10.1134/S1995080218070107
[43] E. O. Kiktenko, A. O. Malysev, A. A. Bozhedarov, N. O. Pozhar, M. N. Anufriev és A. K. Fedorov, Error estimation at the information conciliation stage of quantum key distribution, J. Russ. Laser Res. 39, 558 (2018).
https:///doi.org/10.1007/s10946-018-9752-y
[44] D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lütkenhaus és J. Preskill: Kvantumkulcs-elosztás biztonsága tökéletlen eszközökkel, Quant. Inf. Comput. 5, 325 (2004).
https:///dl.acm.org/doi/10.5555/2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, J. M. Renes és R. Renner, The uncertainty Principle in the present of quantum memory, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https:///doi.org/10.1038/NPHYS1734
[46] P. J. Coles, L. Yu, V Gheorghiu és R. B. Griffiths, Tripartite systems and quantum channels információelméleti kezelése, Phys. Rev. A 83, 062338 (2011).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.83.062338
[47] P. J. Coles, E. M. Metodiev és N. Lütkenhaus, Numerical approach for unstructured quantum key elosztás, Nat. Commun. 7, 11712 (2016).
https:///doi.org/10.1038/ncomms11712
[48] Y. Zhao, C. H. F. Fung, B. Qi, C. Chen és H.-K. Lo, Quantum hacking: A gyakorlati kvantumkulcs-elosztó rendszerek elleni időeltolásos támadás kísérleti bemutatása, Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes és D. Reeb: A kvantumrelatív entrópia monotonitása pozitív térképeken, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen és J. B. M. Uffink: Generalized enttropic 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 és V. Makarov, Biztonsági kiskapu a szabad tér kvantumkulcs-elosztásában a térmódú detektor-hatékonyság eltérése miatt, Phys. Rev. A 91, 062301 (2015).
https:///doi.org/10.1103/PhysRevA.91.062301
[52] S. Pirandola, U. L. Andersen, L. Banchi, M. Berta, D. Bunandar, R. Colbeck, D. Englund, T. Gehring, C. Lupo, C. Ottaviani, J. L. Pereira, M. Razavi, J. Shamsul Shaari , M. Tomamichel, V. C. Usenko, G. Vallone, P. Villoresi és P. Wallden, Advances in quantum cryptography, Adv. Dönt. Foton. 12, 1012 (2020).
https:///doi.org/10.1364/AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent és D. Pitalúa-García, Multiphoton and side-channel attacks in bizalmatlan kvantumkriptográfia, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https:///doi.org/10.1103/PRXQuantum.2.030338
Idézi
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman, and Rajkumar Buyya, “Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions”, arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent, and Damián Pitalúa-García, “Multiphoton and Side-Channel Attacks in Mistrustful Quantum Cryptography”, PRX Quantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin, and Norbert Lütkenhaus, “Security proof of practical quantum key distribution with detection-efficiency mismatch”, Physical Review Research 3 1, 013076 (2021).
A fenti idézetek innen származnak SAO/NASA HIRDETÉSEK (utolsó sikeres frissítés: 2022-07-22 09:35:20). Előfordulhat, hogy a lista hiányos, mivel nem minden kiadó ad megfelelő és teljes hivatkozási adatokat.
Nem sikerült lekérni Az adatok által hivatkozott kereszthivatkozás utolsó próbálkozáskor 2022-07-22 09:35:19: Nem sikerült lekérni a 10.22331/q-2022-07-22-771 hivatkozás által hivatkozott adatokat a Crossref-től. Ez normális, ha a DOI-t nemrég regisztrálták.
Ez a tanulmány a Quantumban jelent meg Creative Commons Nevezd meg 4.0 International (CC BY 4.0) engedély. A szerzői jog az eredeti szerzői jog tulajdonosainál marad, például a szerzőknél vagy intézményeiknél.
