Institutul de Matematică Steklov al RAS, Centrul Internațional de Matematică Steklov, Moscova 119991, Rusia
Departamentul de Matematică și Centrul NTI pentru Comunicații Cuantice, Universitatea Națională de Știință și Tehnologie MISIS, Moscova 119049, Rusia
QRate, Skolkovo, Moscova 143025, Rusia
Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.
Abstract
Nepotrivirea eficienței detectării este o problemă comună în sistemele practice de distribuție a cheilor cuantice (QKD). Dovezile actuale de securitate ale QKD cu nepotrivirea eficienței de detecție se bazează fie pe presupunerea sursei de lumină cu un singur foton din partea emițătorului, fie pe presupunerea intrării unui singur foton din partea receptorului. Aceste ipoteze impun restricții asupra clasei de posibile strategii de interceptare. Aici prezentăm o dovadă riguroasă de securitate fără aceste presupuneri și, astfel, rezolvăm această problemă importantă și dovedim securitatea QKD cu nepotrivirea eficienței de detecție împotriva atacurilor generale (în regim asimptotic). În special, adaptăm metoda stării momeală la cazul nepotrivirii detecție-eficiență.
Imagine prezentată: Scăderea ratei cheii secrete în cazul detecției eficiență-nepotrivire față de cazul fără nepotrivire: raportul dintre rata cheii secrete în cazul nepotrivirii cu eficiența detectorului 1 și $eta$ la rata cheii secrete din cazul fără nepotrivire cu ambele eficiențe egale cu $(1+eta)/2$. Linie continuă: fără erori $Q=0$, linie întreruptă: rata de eroare relativ mare $Q=0.09$ (aproape de valoarea critică pentru cazul detectării perfecte $Qaprox.0.11$). Dacă nepotrivirea este mică, atunci scăderea ratei cheii secrete este relativ mică chiar și pentru ratele de eroare ridicate.
Rezumat popular
Cu toate acestea, dovezile de securitate care iau în considerare anumite imperfecțiuni ale dispozitivelor hardware sunt încă provocatoare. Una dintre astfel de imperfecțiuni este așa-numita nepotrivire de detecție-eficiență, unde doi detectoare cu un singur foton au eficiențe cuantice diferite, adică probabilități diferite de detecție a fotonului. O astfel de problemă ar trebui luată în considerare deoarece este practic imposibil să se realizeze două detectoare absolut identice.
Din punct de vedere matematic, dovada de securitate pentru QKD cu nepotrivirea eficienței de detecție pentru cazul general este o provocare, deoarece spațiul Hilbert cu care ne ocupăm este infinit-dimensional (o reducere la un spațiu finit-dimensional care este posibilă pentru cazul detectoarelor identice nu funcționează aici. ). Așadar, erau necesare abordări fundamental noi pentru a demonstra securitatea. Principala metodă nouă propusă în această lucrare este o limită analitică a numărului de evenimente de detecție multifotoni folosind relațiile de incertitudine entropică. Acest lucru ne permite să reducem problema la una cu dimensiuni finite. Pentru rezolvarea analitică a problemei cu dimensiuni finite (care este încă netrivială), ne propunem să folosim simetriile problemei.
Astfel, în această lucrare, demonstrăm securitatea protocolului BB84 cu nepotrivirea eficienței de detecție și derivăm analitic limite pentru rata cheii secrete în acest caz. De asemenea, adaptăm metoda stării momeală la cazul nepotrivirii detecție-eficiență.
► Date BibTeX
► Referințe
[1] CH Bennett și G. Brassard, Criptografia cuantică: distribuția cheilor publice și aruncarea monedelor, în Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, India (IEEE, New York, 1984), p. 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, Securitatea necondiționată în criptografia cuantică, JACM. 48, 351 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 382780.382781
[4] PW Shor și J. Preskill, Dovada simplă a securității protocolului de distribuție a cheilor cuantice BB84, Phys. Rev. Lett. 85, 441 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Security of quantum key distribution, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv: Quant-ph / 0512258
[6] M. Koashi, Dovada simplă de securitate a distribuției cheilor cuantice bazată pe complementaritate, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin și R. Renner, Tight finite-key analysis for quantum cryptography, Nat. comun. 3, 634 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1631
[8] M. Tomamichel și A. Leverrier, A largely self-contained and complete security proof for quantum key distribution, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel și H. Zbinden, Criptografie cuantică, Rev. Mod. Fizic. 74, 145 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.74.145
[10] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, NJ Cerf, M. Dusek, N. Lütkenhaus și M. Peev, Criptografia cuantică, Rev. Mod. Fiz. 81, 1301 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1301
[11] E. Diamanti, H.-K. Lo, B. Qi și Z. Yuan, Provocări practice în distribuția cheilor cuantice, npj Quant. Inf. 2, 16025 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo, și J.-W. Pan, Distribuție sigură a cheilor cuantice cu dispozitive realiste, Rev. Mod. Fiz. 92, 025002 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.025002
[13] N. Jain, B. Stiller, I. Khan, D. Elser, C. Marquardt și G. Leuchs, Attacks on practices quantum key distribution systems (and how to prevent them), Contemporary Physics 57, 366 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo, și X. Ma, Dovada de securitate a distribuției cheilor cuantice cu nepotrivirea eficienței de detecție, Quant. Inf. Calculator. 9, 131 (2009).
http: / / dl.acm.org/ citation.cfm id = 2021256.2021264
[15] L. Lydersen și J. Skaar, Security of quantum key distribution with bit and basis dependent detector flaws, Quant. Inf. Calculator. 10, 60 (2010).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus și 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 și AS Trushechkin, Securitatea distribuției cheilor cuantice cu nepotrivirea eficienței de detecție în cazul unui singur foton: limite strânse, Phys. Rev. A 99, 032308 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan și X. Ma, Interpretarea operațională a coerenței în distribuția cheii cuantice, Phys. Rev. A 99, 062325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder și N. Lütkenhaus, Modele de squashing pentru măsurători optice în comunicarea cuantică, Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru și K. Tamaki, Security proof for quantum-key-distribution systems with threshold detectors, 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 și 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, PJ Coles, A. Winick, J. Lin și N. Lütkenhaus, Dovada de securitate a distribuției practice a cheilor cuantice cu nepotrivirea eficienței de detecție, Phys. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma și N. Lütkenhaus, Unambiguous state discrimination in quantum cryptography with weak coerent states, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus și M. Jahma, Distribuția cheii cuantice cu stări realiste: statistici de număr de fotoni în atacul de divizare a numărului de fotoni, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] H.-K. Lo, X. Ma și K. Chen, Distribuția cheii cuantice de stat Momeală, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Învingerea atacului de divizare a numărului de fotoni în criptografia cuantică practică, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao și H.-K. Lo, stare practică de momeală pentru distribuția cheilor cuantice, Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi și X. Ma, Limite îmbunătățite ale ratei cheilor pentru sisteme practice de distribuție a cheilor cuantice cu stare momeală, Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko și AK Fedorov, Probleme practice în distribuția cheii cuantice cu stare momeală bazată pe teorema limită centrală, 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 și P. Villoresi, Simple quantum key distribution with qubit-based synchronization și un encoder de polarizare cu autocompensare, Optica 8, 284–290 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.381013
[31] Y. Zhang și N. Lütkenhaus, Verificarea încrucișării cu nepotrivirea eficienței de detecție, Phys. Rev. A 95, 042319 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi și R. Renner, Entropy accumulation, Comm. Matematică. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis și O. Fawzi, Acumulare de entropie cu termen de ordinul doi îmbunătățit, IEEE Trans. Inf. Teoria 65, 7596 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2929564
[34] T. Metger și R. Renner, Security of quantum key distribution from generalized entropy accumulation, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, sisteme cuantice, canale, informații. O introducere matematică (De Gruyter, Berlin, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma și HF Chau, Probleme practice în postprocesarea distribuției cu chei cuantice, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak și A. Winter, Distillation of secret key and entanglement from quantum states, Proc. R. Soc. Londra, Ser. A, 461, 207 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard și ND Mermin, Criptografia cuantică fără teorema lui Bell, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein și N. Lütkenhaus, Entanglement as a precondition for secure quantum key distribution, Phys. Rev. Lett. 92, 217903 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi și N. Lütkenhaus, Symmetries in quantum key distribution and the connection between optimal attacks and optimal cloning, Phys. Rev. A 85, 052310 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin și AK Fedorov, Symmetric blind information reconciliation for quantum key distribution, Phys. Rev. Applied 8, 044017 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin și AK Fedorov, Reconcilierea informațiilor oarbe simetrice și verificarea bazată pe funcții hash pentru distribuția cheii cuantice, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1134 / S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev și AK Fedorov, Error estimation at the information reconciliation 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 și J. Preskill, Security of quantum key distribution with imperfect devices, Quant. Inf. Calculator. 5, 325 (2004).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes și R. Renner, Principiul incertitudinii în prezența memoriei cuantice, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https:///doi.org/10.1038/NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu și RB Griffiths, Tratamentul teoretic informațional al sistemelor tripartite și canalelor cuantice, Phys. Rev. A 83, 062338 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev și N. Lütkenhaus, Abordarea numerică pentru distribuția cheilor cuantice nestructurate, Nat. comun. 7, 11712 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms11712
[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen și H.-K. Lo, Hacking cuantic: demonstrație experimentală a atacului cu schimbare în timp împotriva sistemelor practice de distribuție a cheilor cuantice, Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes și 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 și JBM Uffink, Relații de incertitudine entropică generalizată, 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 și V. Makarov, Lacuna de securitate în distribuția cheilor cuantice în spațiul liber datorită nepotrivirii eficienței detectorului în mod spațial, 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 și P. Wallden, Advances in quantum cryptography, Adv. Opta. Foton. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent și 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
Citat de
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman și Rajkumar Buyya, „Calcul cuantic: o taxonomie, o revizuire sistematică și direcții viitoare”, arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent și 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 și Norbert Lütkenhaus, „Dovada de securitate a distribuției practice a cheilor cuantice cu nepotrivirea eficienței de detecție”, Cercetare fizică de revizuire 3 1, 013076 (2021).
Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2022-07-22 09:35:20). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.
Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2022-07-22 09:35:19: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2022-07-22-771 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.
Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.
