Institut Matematika Steklov RAS, Pusat Matematika Internasional Steklov, Moskow 119991, Rusia
Departemen Matematika dan Pusat Komunikasi Kuantum NTI, Universitas Nasional Sains dan Teknologi MISIS, Moskow 119049, Rusia
QRate, Skolkovo, Moskow 143025, Rusia
Apakah makalah ini menarik atau ingin dibahas? Scite atau tinggalkan komentar di SciRate.
Abstrak
Ketidakcocokan deteksi-efisiensi adalah masalah umum dalam sistem distribusi kunci kuantum (QKD) praktis. Bukti keamanan QKD saat ini dengan ketidakcocokan efisiensi deteksi bergantung pada asumsi sumber cahaya foton tunggal di sisi pengirim atau asumsi input foton tunggal dari sisi penerima. Asumsi-asumsi ini memberlakukan pembatasan pada kelas kemungkinan strategi penyadapan. Di sini kami menyajikan bukti keamanan yang ketat tanpa asumsi ini dan, dengan demikian, memecahkan masalah penting ini dan membuktikan keamanan QKD dengan ketidakcocokan efisiensi deteksi terhadap serangan umum (dalam rezim asimtotik). Secara khusus, kami mengadaptasi metode status umpan untuk kasus ketidakcocokan deteksi-efisiensi.
Gambar unggulan: Penurunan tingkat kunci rahasia dalam kasus ketidakcocokan efisiensi deteksi sehubungan dengan kasus tanpa ketidakcocokan: Rasio tingkat kunci rahasia dalam kasus ketidakcocokan dengan efisiensi detektor 1 dan $eta$ terhadap tingkat kunci rahasia di kasus no-mismatch dengan kedua efisiensi sama dengan $(1+eta)/2$. Garis solid: tidak ada kesalahan $Q=0$, garis putus-putus: tingkat kesalahan yang relatif tinggi $Q=0.09$ (mendekati nilai kritis untuk kasus deteksi sempurna $Qapprox0.11$). Jika ketidakcocokan kecil, maka penurunan tingkat kunci rahasia relatif kecil bahkan untuk tingkat kesalahan yang tinggi.
Ringkasan populer
Namun, bukti keamanan yang memperhitungkan ketidaksempurnaan perangkat keras tertentu masih menantang. Salah satu ketidaksempurnaan tersebut disebut ketidakcocokan efisiensi deteksi, di mana dua detektor foton tunggal memiliki efisiensi kuantum yang berbeda, yaitu, probabilitas deteksi foton yang berbeda. Masalah seperti itu harus diperhitungkan karena praktis tidak mungkin membuat dua detektor yang benar-benar identik.
Secara matematis, bukti keamanan untuk QKD dengan ketidakcocokan efisiensi deteksi untuk kasus umum merupakan tantangan karena ruang Hilbert yang kita tangani adalah dimensi tak hingga (pengurangan ke ruang dimensi hingga yang dimungkinkan untuk kasus detektor identik tidak berfungsi di sini ). Jadi, pada dasarnya pendekatan baru untuk membuktikan keamanan diperlukan. Metode baru utama yang diusulkan dalam karya ini adalah batas analitis dari jumlah peristiwa deteksi multifoton menggunakan hubungan ketidakpastian entropis. Hal ini memungkinkan kita untuk mengurangi masalah ke dimensi terbatas. Untuk solusi analitis dari masalah dimensi hingga (yang masih non-trivial), kami mengusulkan untuk menggunakan simetri masalah.
Jadi, dalam makalah ini, kami membuktikan keamanan protokol BB84 dengan ketidakcocokan efisiensi deteksi dan secara analitis menurunkan batas untuk tingkat kunci rahasia dalam kasus ini. Kami juga mengadaptasi metode status umpan untuk kasus ketidakcocokan efisiensi deteksi.
► data BibTeX
► Referensi
[1] CH Bennett dan G. Brassard, Kriptografi kuantum: Distribusi kunci publik dan pelemparan koin, dalam Prosiding Konferensi Internasional IEEE tentang Komputer, Sistem dan Pemrosesan Sinyal, Bangalore, India (IEEE, New York, 1984), hlm. 175.
[2] D. Mayers, Distribusi kunci kuantum dan transfer string yang tidak disadari dalam saluran yang bising, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv: quant-ph / 9606003
[3] D. Mayers, Keamanan tanpa syarat dalam kriptografi kuantum, JACM. 48, 351 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 382780.382781
[4] PW Shor dan J. Preskill, Bukti sederhana keamanan protokol distribusi kunci kuantum BB84, Phys. Pdt. Lett. 85, 441 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Keamanan distribusi kunci kuantum, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv: quant-ph / 0512258
[6] M. Koashi, Bukti keamanan sederhana dari distribusi kunci kuantum berdasarkan komplementaritas, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin, dan R. Renner, Analisis kunci-terbatas ketat untuk kriptografi kuantum, Nat. komuni. 3, 634 (2012).
https:///doi.org/10.1038/ncomms1631
[8] M. Tomamichel dan A. Leverrier, Bukti keamanan yang sebagian besar mandiri dan lengkap untuk distribusi kunci kuantum, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel, dan H. Zbinden, Kriptografi kuantum, 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, dan M. Peev, Kriptografi kuantum, Rev. Mod. fisik. 81, 1301 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1301
[11] E. Diamanti, H.-K. Lo, B. Qi, dan Z. Yuan, Tantangan praktis dalam distribusi kunci kuantum, npj Quant. Inf. 2, 16025 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo, dan J.-W. Pan, Distribusi kunci kuantum aman dengan perangkat realistis, Rev. Mod. fisik. 92, 025002 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.025002
[13] N. Jain, B. Stiller, I. Khan, D. Elser, C. Marquardt, dan G. Leuchs, Serangan pada sistem distribusi kunci kuantum praktis (dan bagaimana mencegahnya), Fisika Kontemporer 57, 366 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo, dan X. Ma, Bukti keamanan distribusi kunci kuantum dengan ketidakcocokan efisiensi deteksi, Quant. Inf. Hitung. 9, 131 (2009).
http: / / dl.acm.org/ citation.cfm? id = 2021256.2021264
[15] L. Lydersen dan J. Skaar, Keamanan distribusi kunci kuantum dengan kekurangan detektor yang bergantung pada bit dan basis, Quant. Inf. Hitung. 10, 60 (2010).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus, dan PJ Coles, Tingkat kunci numerik yang andal untuk distribusi kunci kuantum, Quantum 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bochkov dan AS Trushechkin, Keamanan distribusi kunci kuantum dengan ketidakcocokan efisiensi deteksi dalam kasus foton tunggal: Batas ketat, Phys. Wahyu A 99, 032308 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan, dan X. Ma, interpretasi operasional koherensi dalam distribusi kunci kuantum, Phys. Wahyu A 99, 062325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder, dan N. Lütkenhaus, model Squashing untuk pengukuran optik dalam komunikasi kuantum, Phys. Pdt. Lett. 101, 093601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru dan K. Tamaki, Bukti keamanan untuk sistem distribusi kunci kuantum dengan detektor ambang batas, Phys. Wahyu A 78, 032302 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032302
[21] O. Gittsovich, NJ Beaudry, V. Narasimhachar, RR Alvarez, T. Moroder, dan N. Lütkenhaus, Model pemampatan untuk detektor dan aplikasi untuk protokol distribusi kunci kuantum, Phys. Wahyu A 89, 012325 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.012325
[22] Y. Zhang, PJ Coles, A. Winick, J. Lin, dan N. Lütkenhaus, Bukti keamanan distribusi kunci kuantum praktis dengan ketidakcocokan efisiensi deteksi, Phys. Res. 3, 013076 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma, dan N. Lütkenhaus, Diskriminasi keadaan yang tidak ambigu dalam kriptografi kuantum dengan keadaan koheren yang lemah, Phys. Wahyu A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus dan M. Jahma, Distribusi kunci kuantum dengan keadaan realistis: statistik bilangan foton dalam serangan pemecahan bilangan foton, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] H.-K. Lo, X. Ma, dan K. Chen, Distribusi kunci kuantum status umpan, Phys. Pdt. Lett. 94, 230504 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Mengalahkan serangan pemecahan bilangan foton dalam kriptografi kuantum praktis, Phys. Pdt. Lett. 94, 230503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao, dan H.-K. Lo, Status umpan praktis untuk distribusi kunci kuantum, Phys. Wahyu A 72, 012326 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi, dan X. Ma, Peningkatan batas tingkat kunci untuk sistem distribusi kunci kuantum keadaan umpan praktis, Phys. Wahyu A 95, 012333 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko, dan AK Fedorov, Masalah praktis dalam distribusi kunci kuantum keadaan umpan berdasarkan teorema limit pusat, Phys. Wahyu 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, dan P. Villoresi, Distribusi kunci kuantum sederhana dengan sinkronisasi berbasis qubit dan encoder polarisasi kompensasi sendiri, Optica 8, 284–290 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.381013
[31] Y. Zhang dan N. Lütkenhaus, Verifikasi keterikatan dengan ketidakcocokan deteksi-efisiensi, Phys. Wahyu A 95, 042319 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi, dan R. Renner, Akumulasi entropi, Comm. Matematika. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis dan O. Fawzi, Akumulasi entropi dengan peningkatan suku orde kedua, IEEE Trans. Inf. Teori 65, 7596 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2929564
[34] T. Metger dan R. Renner, Keamanan distribusi kunci kuantum dari akumulasi entropi umum, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, Sistem Kuantum, Saluran, Informasi. Pengantar Matematika (De Gruyter, Berlin, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma, dan HF Chau, Masalah praktis dalam pascapemrosesan kunci-kuantum-distribusi, Phys. Wahyu A 81, 012318 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak dan A. Winter, Penyulingan kunci rahasia dan keterjeratan dari keadaan kuantum, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 461, 207 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard, dan ND Mermin, Kriptografi kuantum tanpa teorema Bell, Phys. Pdt. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein, dan N. Lütkenhaus, Keterikatan sebagai prasyarat untuk distribusi kunci kuantum yang aman, Phys. Pdt. Lett. 92, 217903 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi dan N. Lütkenhaus, Simetri dalam distribusi kunci kuantum dan hubungan antara serangan optimal dan kloning optimal, Phys. Wahyu A 85, 052310 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin, dan AK Fedorov, Rekonsiliasi informasi buta simetris untuk distribusi kunci kuantum, Phys. Rev. Terapan 8, 044017 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin, dan AK Fedorov, rekonsiliasi informasi buta simetris dan verifikasi berbasis fungsi hash untuk distribusi kunci kuantum, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1134 / S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev, dan AK Fedorov, Estimasi kesalahan pada tahap rekonsiliasi informasi distribusi kunci kuantum, J. Russ. Resolusi Laser 39, 558 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10946-018-9752-y
[44] D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lütkenhaus, dan J. Preskill, Keamanan distribusi kunci kuantum dengan perangkat yang tidak sempurna, Quant. Inf. Hitung. 5, 325 (2004).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes, dan R. Renner, Prinsip ketidakpastian dengan adanya memori kuantum, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu, dan RB Griffiths, Perlakuan informasi-teoretis sistem tripartit dan saluran kuantum, Phys. Wahyu A 83, 062338 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev, dan N. Lütkenhaus, Pendekatan numerik untuk distribusi kunci kuantum tidak terstruktur, Nat. komuni. 7, 11712 (2016).
https:///doi.org/10.1038/ncomms11712
[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen, dan H.-K. Lo, Peretasan kuantum: Demonstrasi eksperimental serangan pergeseran waktu terhadap sistem distribusi kunci kuantum praktis, Phys. Wahyu A 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes dan D. Reeb, Monotonisitas dari entropi relatif kuantum di bawah peta positif, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen dan JBM Uffink, Hubungan ketidakpastian entropik umum, Phys. Pdt. Lett. 60, 1103 (1988).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.60.1103
[51] S. Sajeed, P. Chaiwongkhot, J.-P. Bourgoin, T. Jennewein, N. Lütkenhaus, dan V. Makarov, Celah keamanan dalam distribusi kunci kuantum ruang bebas karena ketidaksesuaian efisiensi detektor mode spasial, Phys. Wahyu 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, dan P. Wallden, Kemajuan dalam kriptografi kuantum, Adv. Memilih. foton. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent, dan D. Pitalúa-García, Multiphoton dan serangan saluran samping dalam kriptografi kuantum yang tidak dapat dipercaya, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030338
Dikutip oleh
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman, dan Rajkumar Buyya, “Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions”, arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent, dan Damián Pitalúa-García, “Serangan Multifoton dan Saluran Samping dalam Kriptografi Kuantum yang Tidak Dapat Dipercaya”, PRX Kuantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin, dan Norbert Lütkenhaus, “Bukti keamanan distribusi kunci kuantum praktis dengan ketidakcocokan efisiensi deteksi”, Penelitian Tinjauan Fisik 3 1, 013076 (2021).
Kutipan di atas berasal dari SAO / NASA ADS (terakhir berhasil diperbarui, 2022-07-22 09:35:20). Daftar ini mungkin tidak lengkap karena tidak semua penerbit menyediakan data kutipan yang cocok dan lengkap.
Tidak dapat mengambil Crossref dikutip oleh data selama upaya terakhir 2022-07-22 09:35:19: Tidak dapat mengambil data yang dikutip oleh untuk 10.22331 / q-2022-07-22-771 dari Crossref. Ini normal jika DOI terdaftar baru-baru ini.
Makalah ini diterbitkan dalam Quantum di bawah Creative Commons Attribution 4.0 Internasional (CC BY 4.0) lisensi. Hak cipta tetap berada pada pemegang hak cipta asli seperti penulis atau lembaganya.
