Steklov matematični inštitut RAS, Steklov mednarodni matematični center, Moskva 119991, Rusija
Oddelek za matematiko in NTI Center za kvantne komunikacije, Nacionalna univerza za znanost in tehnologijo MISIS, Moskva 119049, Rusija
QRate, Skolkovo, Moskva 143025, Rusija
Se vam zdi ta članek zanimiv ali želite razpravljati? Zaslišite ali pustite komentar na SciRate.
Minimalizem
Neusklajenost učinkovitosti zaznavanja je pogosta težava v praktičnih sistemih kvantne porazdelitve ključev (QKD). Trenutni varnostni dokazi QKD z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja temeljijo bodisi na predpostavki enofotonskega svetlobnega vira na strani oddajnika bodisi na predpostavki o enofotonskem vhodu na strani sprejemnika. Te predpostavke nalagajo omejitve glede razreda možnih strategij prisluškovanja. Tukaj predstavljamo strog varnostni dokaz brez teh predpostavk in s tem rešimo ta pomemben problem in dokažemo varnost QKD z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja pred splošnimi napadi (v asimptotičnem režimu). Zlasti prilagodimo metodo stanja vabe za primer neusklajenosti učinkovitosti zaznavanja.
Predstavljena slika: Zmanjšanje stopnje skrivnega ključa v primeru učinkovitosti zaznavanja-neusklajenosti glede na primer brez neusklajenosti: Razmerje stopnje skrivnega ključa v primeru neusklajenosti z učinkovitostjo detektorja 1 in $eta$ do stopnje skrivnega ključa v primer brez neusklajenosti z obema učinkovitostama, enakima $(1+eta)/2$. Polna črta: brez napak $Q=0$, črtkana črta: razmeroma visoka stopnja napak $Q=0.09$ (blizu kritične vrednosti za primer popolnega zaznavanja $Qpribližno 0.11$). Če je neujemanje majhno, je zmanjšanje stopnje skrivnega ključa razmeroma majhno tudi pri visokih stopnjah napak.
Priljubljen povzetek
Še vedno pa so zahtevna varnostna dokazila, ki upoštevajo nekatere nepopolnosti strojne opreme. Ena od takšnih nepopolnosti je tako imenovana neusklajenost detekcije in učinkovitosti, kjer imata dva enofotonska detektorja različni kvantni učinkovitosti, torej različni verjetnosti detekcije fotona. Takšen problem je treba upoštevati, saj je praktično nemogoče narediti dva popolnoma enaka detektorja.
Matematično je varnostni dokaz za QKD z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja za splošni primer izziv, ker je Hilbertov prostor, s katerim imamo opravka, neskončnodimenzionalen (zmanjšanje na končnodimenzionalni prostor, ki je možno v primeru enakih detektorjev, tukaj ne deluje ). Zato so bili potrebni bistveno novi pristopi za dokazovanje varnosti. Glavna nova metoda, predlagana v tem delu, je analitična meja števila večfotonskih zaznavnih dogodkov z uporabo odnosov entropijske negotovosti. To nam omogoča reduciranje problema na končnodimenzionalno. Za analitično rešitev končnodimenzionalnega problema (ki je še vedno netrivialen) predlagamo uporabo simetrij problema.
Tako v tem prispevku dokazujemo varnost protokola BB84 z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja in analitično izpeljemo meje za stopnjo skrivnega ključa v tem primeru. Prav tako prilagodimo metodo stanja vabe za primer neusklajenosti učinkovitosti detekcije.
► BibTeX podatki
► Reference
[1] CH Bennett in G. Brassard, Kvantna kriptografija: Distribucija javnega ključa in met kovanca, v Zborniku mednarodnih konferenc IEEE o računalnikih, sistemih in obdelavi signalov, Bangalore, Indija (IEEE, New York, 1984), str. 175.
[2] D. Mayers, Kvantna porazdelitev ključev in nepozaben prenos nizov v hrupnih kanalih, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv: kvant-ph / 9606003
[3] D. Mayers, Brezpogojna varnost v kvantni kriptografiji, JACM. 48, 351 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 382780.382781
[4] PW Shor in J. Preskill, Preprost dokaz varnosti protokola za distribucijo kvantnega ključa BB84, Phys. Rev. Lett. 85, 441 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Varnost distribucije kvantnih ključev, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv: kvant-ph / 0512258
[6] M. Koashi, Preprost varnostni dokaz porazdelitve kvantnega ključa na podlagi komplementarnosti, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin in R. Renner, Analiza tesnega končnega ključa za kvantno kriptografijo, Nat. Komun. 3, 634 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1631
[8] M. Tomamichel in A. Leverrier, V veliki meri samostojen in popoln varnostni dokaz za kvantno distribucijo ključev, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel in H. Zbinden, Kvantna kriptografija, Rev. Mod. Fiz. 74, 145 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.74.145
[10] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, NJ Cerf, M. Dusek, N. Lütkenhaus in M. Peev, Kvantna kriptografija, Rev. Mod. Phys. 81, 1301 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1301
[11] E. Diamanti, H.-K. Lo, B. Qi in Z. Yuan, Praktični izzivi kvantne porazdelitve ključev, npj Quant. Inf. 2, 16025 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo in J.-W. Pan, Varna distribucija kvantnih ključev z realističnimi napravami, 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 in G. Leuchs, Napadi na praktične sisteme porazdelitve kvantnih ključev (in kako jih preprečiti), Sodobna fizika 57, 366 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo in X. Ma, Varnostni dokaz porazdelitve kvantnega ključa z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja, Quant. Inf. Računalništvo. 9, 131 (2009).
http: / / dl.acm.org/ citation.cfm? id = 2021256.2021264
[15] L. Lydersen in J. Skaar, Varnost porazdelitve kvantnega ključa z napakami detektorja, odvisnimi od bitov in osnove, Quant. Inf. Računalništvo. 10, 60 (2010).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus in PJ Coles, Zanesljive numerične ključne stopnje za kvantno porazdelitev ključev, Quantum 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bočkov in AS Trušečkin, Varnost porazdelitve kvantnega ključa z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja v primeru enega fotona: Tesne meje, Phys. Rev. A 99, 032308 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan in X. Ma, Operativna interpretacija koherence v kvantni porazdelitvi ključev, Phys. Rev. A 99, 062325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder in N. Lütkenhaus, Squashing modeli za optične meritve v kvantni komunikaciji, Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru in K. Tamaki, Varnostni dokaz za sisteme kvantne porazdelitve ključev s pragovnimi detektorji, 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 in N. Lütkenhaus, Squashing model za detektorje in aplikacije za protokole kvantne porazdelitve ključev, Phys. Rev. A 89, 012325 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.012325
[22] Y. Zhang, PJ Coles, A. Winick, J. Lin in N. Lütkenhaus, Varnostni dokaz praktične porazdelitve kvantnega ključa z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja, Phys. Rev. Res. 3, 013076 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma in N. Lütkenhaus, Nedvoumna diskriminacija stanja v kvantni kriptografiji s šibkimi koherentnimi stanji, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus in M. Jahma, Kvantna porazdelitev ključa z realističnimi stanji: statistika števila fotonov v napadu delitve števila fotonov, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] H.-K. Lo, X. Ma in K. Chen, kvantna ključna porazdelitev stanja vabe, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Beating the photon-number-splitting napad v praktični kvantni kriptografiji, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao in H.-K. Lo, Praktično stanje vabe za porazdelitev kvantnega ključa, Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi in X. Ma, Izboljšane meje ključne stopnje za praktične sisteme kvantne porazdelitve ključev v stanju vabe, Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko in AK Fedorov, Praktična vprašanja v kvantni porazdelitvi ključev v stanju vabe na podlagi izreka centralne meje, 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 in P. Villoresi, Preprosta kvantna porazdelitev ključev s sinhronizacijo na osnovi kubitov in samokompenzacijski polarizacijski kodirnik, Optica 8, 284–290 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.381013
[31] Y. Zhang in N. Lütkenhaus, Preverjanje zapletenosti z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja, Phys. Rev. A 95, 042319 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi in R. Renner, Akumulacija entropije, Comm. matematika 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis in O. Fawzi, Akumulacija entropije z izboljšanim členom drugega reda, IEEE Trans. Inf. Teorija 65, 7596 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2929564
[34] T. Metger in R. Renner, Varnost porazdelitve kvantnega ključa iz generaliziranega kopičenja entropije, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, Kvantni sistemi, kanali, informacije. Matematični uvod (De Gruyter, Berlin, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma in HF Chau, Praktična vprašanja pri postprocesiranju porazdelitve kvantnega ključa, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak in A. Winter, Destilacija skrivnega ključa in prepletenost iz kvantnih stanj, Proc. R. Soc. London, Ser. A, 461, 207 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard in ND Mermin, Kvantna kriptografija brez Bellovega izreka, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein in N. Lütkenhaus, Entanglement kot predpogoj za varno porazdelitev kvantnega ključa, Phys. Rev. Lett. 92, 217903 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi in N. Lütkenhaus, Simetrije v kvantni porazdelitvi ključev in povezava med optimalnimi napadi in optimalnim kloniranjem, Phys. Rev. A 85, 052310 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin in AK Fedorov, Simetrično slepo usklajevanje informacij za kvantno porazdelitev ključev, Phys. Rev. Uporabljeno 8, 044017 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin in AK Fedorov, Simetrično slepo usklajevanje informacij in preverjanje na podlagi zgoščene funkcije za kvantno porazdelitev ključev, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1134 / S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev in AK Fedorov, Ocena napake na stopnji usklajevanja informacij kvantne porazdelitve ključev, J. Russ. Laser Res. 39, 558 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10946-018-9752-y
[44] D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lütkenhaus in J. Preskill, Varnost distribucije kvantnega ključa z nepopolnimi napravami, Quant. Inf. Računalništvo. 5, 325 (2004).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes in R. Renner, Načelo negotovosti v prisotnosti kvantnega spomina, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https:///doi.org/10.1038/NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu in RB Griffiths, Informacijsko-teoretična obravnava tripartitnih sistemov in kvantnih kanalov, Phys. Rev. A 83, 062338 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev in N. Lütkenhaus, Numerični pristop za nestrukturirano porazdelitev kvantnega ključa, Nat. Komun. 7, 11712 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms11712
[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen in H.-K. Lo, Quantum hacking: Eksperimentalna predstavitev napada s časovnim zamikom na praktične sisteme porazdelitve kvantnih ključev, Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes in D. Reeb, Monotoničnost kvantne relativne entropije pod pozitivnimi preslikavami, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen in JBM Uffink, Splošna razmerja entropijske negotovosti, 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 in V. Makarov, Varnostna vrzel v porazdelitvi kvantnih ključev prostega prostora zaradi neusklajenosti učinkovitosti detektorja v prostorskem načinu, 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 in P. Wallden, Napredek v kvantni kriptografiji, Adv. Opt. Foton. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent in D. Pitalúa-García, Večfotonski in stranski napadi v nezaupljivi kvantni kriptografiji, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030338
Navedel
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman in Rajkumar Buyya, "Kvantno računalništvo: taksonomija, sistematični pregled in prihodnje smernice", arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent in Damián Pitalúa-García, »Multiphoton and Side-Channel Attacks in Mitrustful Quantum Cryptography«, PRX Quantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin in Norbert Lütkenhaus, "Varnostni dokaz praktične kvantne distribucije ključev z neusklajenostjo učinkovitosti zaznavanja", Fizični pregled raziskav 3 1, 013076 (2021).
Zgornji citati so iz SAO / NASA ADS (zadnjič posodobljeno 2022-07-22 09:35:20). Seznam je morda nepopoln, saj vsi založniki ne dajejo ustreznih in popolnih podatkov o citiranju.
Pridobitve ni bilo mogoče Crossref citirani podatki med zadnjim poskusom 2022-07-22 09:35:19: Citiranih podatkov za 10.22331 / q-2022-07-22-771 od Crossrefa ni bilo mogoče pridobiti. To je normalno, če je bil DOI registriran pred kratkim.
Ta dokument je objavljen v Quantumu pod Priznanje avtorstva Creative Commons 4.0 International (CC BY 4.0) licenca. Avtorske pravice ostajajo pri izvirnih imetnikih avtorskih pravic, kot so avtorji ali njihove ustanove.
