Sikkerhet for kvantenøkkeldistribusjon med misforhold mellom deteksjonseffektivitet i multifoton-tilfellet PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikalt søk. Ai.

Sikkerhet for kvantenøkkeldistribusjon med misforhold mellom deteksjonseffektivitet i multifoton-tilfellet

Tidsstempel: 22. juli 2022 5:30

Anton Trushechkin

Steklov Mathematical Institute of RAS, Steklov International Mathematical Center, Moskva 119991, Russland
Institutt for matematikk og NTI-senter for kvantekommunikasjon, National University of Science and Technology MISIS, Moskva 119049, Russland
QRate, Skolkovo, Moskva 143025, Russland

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Misforhold mellom deteksjonseffektivitet er et vanlig problem i praktiske systemer for kvantenøkkeldistribusjon (QKD). Gjeldende sikkerhetsbevis for QKD med deteksjonseffektivitetsmisforhold er enten avhengig av antakelsen om enkeltfoton-lyskilden på sendersiden eller på antakelsen om enkeltfotoninngangen på mottakersiden. Disse forutsetningene legger begrensninger på klassen av mulige avlyttingsstrategier. Her presenterer vi et strengt sikkerhetsbevis uten disse forutsetningene og løser dermed dette viktige problemet og beviser sikkerheten til QKD med misforhold mellom deteksjonseffektivitet og generelle angrep (i det asymptotiske regimet). Spesielt tilpasser vi lokketilstandsmetoden til tilfellet med misforhold mellom deteksjonseffektivitet.

Utvalgt bilde: Reduksjon av hemmelig nøkkelrate i deteksjonseffektivitet-mismatch-tilfellet i forhold til ikke-mismatch-tilfellet: Forholdet mellom den hemmelige nøkkelraten i mismatch-tilfellet med detektoreffektivitetene 1 og $eta$ til den hemmelige nøkkelraten i tilfellet uten mismatch med begge effektivitetene lik $(1+eta)/2$. Heltrukken linje: ingen feil $Q=0$, stiplet linje: relativt høy feilrate $Q=0.09$ (nær den kritiske verdien for tilfellet med perfekt deteksjon $Qapprox0.11$). Hvis misforholdet er lite, er reduksjonen i hemmelig styringsrente relativt liten selv for høye feilrater.

Populært sammendrag

Kvantenøkkeldistribusjon (QKD) lar to fjerntliggende parter etablere en felles hemmelig nøkkel for konfidensiell melding. Med tanke på mulig trussel mot den tradisjonelle offentlige nøkkelen fra feiltolerante kvantedatamaskiner, antas QKD å være en viktig del av fremtidig sikker kommunikasjonsinfrastruktur. Den første QKD-protokollen (kalt BB84) ble oppdaget av Bennett og Brassard i 1984. Senere første eksperimenter og sikkerhetsbevis ble foreslått. Nå er QKD en kommersiell teknologi med utviklede sikkerhetsbevis.

Sikkerhetsbevis som tar hensyn til visse ufullkommenheter ved maskinvareenheter er imidlertid fortsatt utfordrende. En av slike ufullkommenheter er såkalt deteksjonseffektivitetsmisforhold, hvor to enkeltfotondetektorer har forskjellig kvanteeffektivitet, dvs. forskjellige sannsynligheter for fotondeteksjon. Et slikt problem bør tas i betraktning fordi det er praktisk talt umulig å lage to helt identiske detektorer.

Matematisk er sikkerhetsbevis for QKD med deteksjonseffektivitetsmismatch for det generelle tilfellet utfordrende fordi Hilbert-rommet vi har å gjøre med er uendelig-dimensjonalt (en reduksjon til et endelig-dimensjonalt rom som er mulig for tilfellet med identiske detektorer fungerer ikke her ). Så fundamentalt nye tilnærminger for å bevise sikkerheten var nødvendig. Den viktigste nye metoden som er foreslått i dette arbeidet er en analytisk grense for antall multifotondeteksjonshendelser ved å bruke de entropiske usikkerhetsrelasjonene. Dette tillater oss å redusere problemet til en endelig dimensjonal. For den analytiske løsningen av det endelig-dimensjonale problemet (som fortsatt er ikke-trivielt), foreslår vi å bruke symmetrier av problemet.

I denne artikkelen beviser vi derfor sikkerheten til BB84-protokollen med misforhold mellom deteksjonseffektivitet og analytisk utlede grenser for den hemmelige nøkkelraten i dette tilfellet. Vi tilpasser også lokketilstandsmetoden til tilfellet med misforhold mellom deteksjonseffektivitet.

► BibTeX-data

► Referanser

[1] CH Bennett og G. Brassard, Quantum cryptography: Public key distribution and coin kasting, i Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India (IEEE, New York, 1984), s. 175.

[2] D. Mayers, Quantum key distribution and string oblivious transfer in noisy channels, arXiv:quant-ph/​9606003 (1996).
arxiv: Quant-ph / 9606003

[3] D. Mayers, ubetinget sikkerhet i kvantekryptografi, JACM. 48, 351 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 382780.382781

[4] PW Shor og J. Preskill, Enkelt bevis på sikkerheten til BB84 kvantenøkkeldistribusjonsprotokoll, Phys. Rev. Lett. 85, 441 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.85.441

[5] R. Renner, Sikkerhet for distribusjon av kvantenøkler, arXiv:quant-ph/​0512258 (2005).
arxiv: Quant-ph / 0512258

[6] M. Koashi, Enkelt sikkerhetsbevis for kvantenøkkeldistribusjon basert på komplementaritet, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​11/​4/​045018

[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin og R. Renner, Tight finite-key analyse for quantum cryptography, Nat. Commun. 3, 634 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1631

[8] M. Tomamichel og A. Leverrier, Et stort sett selvstendig og fullstendig sikkerhetsbevis for kvantenøkkeldistribusjon, Quantum 1, 14 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-07-14-14

[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel og 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 og 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 og Z. Yuan, Praktiske utfordringer i kvantenøkkeldistribusjon, npj Quant. Inf. 2, 16025 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2016.25

[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo og J.-W. Pan, Sikker kvantenøkkeldistribusjon med realistiske enheter, 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 og G. Leuchs, Angrep på praktiske kvantenøkkeldistribusjonssystemer (og hvordan forhindre dem), Contemporary Physics 57, 366 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2016.1148333

[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo, og X. Ma, Sikkerhetsbevis for kvantenøkkeldistribusjon med misforhold til deteksjonseffektivitet, Quant. Inf. Comput. 9, 131 (2009).
http: / / dl.acm.org/ citation.cfm id = 2021256.2021264

[15] L. Lydersen og J. Skaar, Sikkerhet for kvantenøkkeldistribusjon med bit- og basisavhengige detektorfeil, Kvant. Inf. Comput. 10, 60 (2010).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011438.2011443

[16] A. Winick, N. Lütkenhaus og PJ Coles, Reliable numerical key rates for quantum key distribution, Quantum 2, 77 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-07-26-77

[17] MK Bochkov og AS Trushechkin, Sikkerhet for kvantenøkkeldistribusjon med deteksjonseffektivitetsmisforhold i enkeltfotontilfellet: Tight bounds, Phys. Rev. A 99, 032308 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032308

[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan og X. Ma, Operasjonell tolkning av koherens i kvantenøkkeldistribusjon, Phys. Rev. A 99, 062325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062325

[19] NJ Beaudry, T. Moroder og N. Lütkenhaus, Squashing-modeller for optiske målinger i kvantekommunikasjon, Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.093601

[20] T. Tsurumaru og K. Tamaki, Sikkerhetssikkert for quantum-key-distribusjonssystemer med terskeldetektorer, 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 og N. Lütkenhaus, Squashing-modell for detektorer og applikasjoner til kvantenøkkel-distribusjonsprotokoller, Phys. Rev. A 89, 012325 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.012325

[22] Y. Zhang, PJ Coles, A. Winick, J. Lin og N. Lütkenhaus, Sikkerhetsbevis på praktisk kvantenøkkeldistribusjon med misforhold mellom deteksjonseffektivitet, Phys. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013076

[23] M. Dušek, M. Jahma og N. Lütkenhaus, Entydig tilstandsdiskriminering i kvantekryptografi med svake koherente tilstander, Fysisk. Rev. A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306

[24] N. Lütkenhaus og M. Jahma, Kvantenøkkeldistribusjon med realistiske tilstander: foton-nummerstatistikk i foton-nummer-splittende angrep, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​4/​1/​344

[25] H.-K. Lo, X. Ma og K. Chen, Decoy state quantum key distribution, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230504

[26] X.-B. Wang, Beating the photon-nummer-spaltende angrep i praktisk kvantekryptografi, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230503

[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao og H.-K. Lo, praktisk lokketilstand for kvantenøkkeldistribusjon, Fysisk. Rev. A 72, 012326 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012326

[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi og X. Ma, Forbedrede nøkkelhastighetsgrenser for praktiske lokketilstand kvante-nøkkel-distribusjonssystemer, Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012333

[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko og AK Fedorov, Praktiske problemstillinger i lokketilstand kvantenøkkelfordeling basert på sentralgrensesetningen, 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 og P. Villoresi, Enkel kvantenøkkeldistribusjon med qubit-basert synkronisering og en selvkompenserende polarisasjonskoder, Optica 8, 284–290 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.381013

[31] Y. Zhang og 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 og R. Renner, Entropiakkumulering, Comm. Matte. 379, 867 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00220-020-03839-5

[33] F. Dupuis og O. Fawzi, Entropiakkumulering med forbedret andreordens term, IEEE Trans. Inf. Theory 65, 7596 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2929564

[34] T. Metger og R. Renner, Sikkerhet for kvantenøkkeldistribusjon fra generalisert entropiakkumulering, arXiv:2203.04993 (2022).
arxiv: 2203.04993

[35] AS Holevo, Quantum Systems, Channels, Information. En matematisk introduksjon (De Gruyter, Berlin, 2012).

[36] CHF Fung, X. Ma og HF Chau, Praktiske problemstillinger i etterbehandling av kvantenøkkel-distribusjon, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012318

[37] I. Devetak og A. Winter, Destillasjon av hemmelig nøkkel og sammenfiltring fra kvantetilstander, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 461, 207 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372

[38] CH Bennett, G. Brassard og ND Mermin, kvantekryptografi uten Bells teorem, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557

[39] M. Curty, M. Lewenstein og N. Lütkenhaus, Entanglement as a precondition for sikker kvantenøkkeldistribusjon, Phys. Rev. Lett. 92, 217903 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.92.217903

[40] A. Ferenczi og N. Lütkenhaus, Symmetrier i kvantenøkkeldistribusjon og sammenhengen mellom optimale angrep og optimal kloning, Phys. Rev. A 85, 052310 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052310

[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin og AK Fedorov, Symmetrisk blind informasjonsavstemming for kvantenøkkeldistribusjon, Phys. Rev. Søkt 8, 044017 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.044017

[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin og AK Fedorov, Symmetrisk blindinformasjonsavstemming og hasjfunksjonsbasert verifisering for kvantenøkkeldistribusjon, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1134 / S1995080218070107

[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev og AK Fedorov, Feilvurdering på informasjonsavstemmingsstadiet av kvantenøkkeldistribusjon, J. Russ. Laser Res. 39, 558 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10946-018-9752-y

[44] D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lütkenhaus og J. Preskill, Sikkerhet for kvantenøkkeldistribusjon med ufullkomne enheter, Quant. Inf. Comput. 5, 325 (2004).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011586.2011587

[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes og R. Renner, Usikkerhetsprinsippet i nærvær av kvanteminne, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1038/​NPHYS1734

[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu og RB Griffiths, Informasjonsteoretisk behandling av trepartssystemer og kvantekanaler, Phys. Rev. A 83, 062338 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062338

[47] PJ Coles, EM Metodiev og N. Lütkenhaus, Numerisk tilnærming for ustrukturert kvantenøkkeldistribusjon, Nat. Commun. 7, 11712 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms11712

[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen og H.-K. Lo, Quantum hacking: Eksperimentell demonstrasjon av time-shift angrep mot praktiske kvante-nøkkel-distribusjonssystemer, Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333

[49] A. Müller-Hermes og D. Reeb, Monotonicity of the quantum relative entropy under positive maps, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s00023-017-0550-9

[50] H. Maassen og JBM Uffink, 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 og V. Makarov, Sikkerhetssmutthull i kvantenøkkeldistribusjon i ledig plass på grunn av misforhold mellom romlig modusdetektor og effektivitet, 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 og P. Wallden, Advances in quantum cryptography, Adv. Opt. Foton. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502

[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent og D. Pitalúa-García, Multiphoton and side-channel attacks in mistrustful quantum cryptography, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030338

Sitert av

[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh ​​Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman og Rajkumar Buyya, "Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions", arxiv: 2010.15559.

[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent og 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 og Norbert Lütkenhaus, "Sikkerhetsbevis på praktisk kvantenøkkeldistribusjon med misforhold mellom deteksjonseffektivitet", Fysisk gjennomgang forskning 3 1, 013076 (2021).

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2022-07-22 09:35:20). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

Kunne ikke hente Crossref sitert av data under siste forsøk 2022-07-22 09:35:19: Kunne ikke hente siterte data for 10.22331 / q-2022-07-22-771 fra Crossref. Dette er normalt hvis DOI nylig ble registrert.

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.

Tidstempel:

Mer fra Kvantejournal