RAS Steklov Matematik Enstitüsü, Steklov Uluslararası Matematik Merkezi, Moskova 119991, Rusya
Matematik Bölümü ve NTI Kuantum İletişim Merkezi, Ulusal Bilim ve Teknoloji Üniversitesi MISIS, Moskova 119049, Rusya
QRate, Skolkovo, Moskova 143025, Rusya
Bu makaleyi ilginç mi buldunuz yoksa tartışmak mı istiyorsunuz? SciRate'e çığlık at veya yorum bırak.
Özet
Algılama-verimlilik uyumsuzluğu, pratik kuantum anahtar dağıtımı (QKD) sistemlerinde yaygın bir sorundur. Algılama-verim uyumsuzluğu ile QKD'nin mevcut güvenlik kanıtları, ya gönderici taraftaki tek fotonlu ışık kaynağı varsayımına ya da alıcı tarafındaki tek fotonlu giriş varsayımına dayanır. Bu varsayımlar, olası gizli dinleme stratejileri sınıfına kısıtlamalar getirir. Burada bu varsayımlar olmadan sıkı bir güvenlik kanıtı sunuyoruz ve böylece bu önemli sorunu çözüyoruz ve QKD'nin güvenliğini genel saldırılara karşı (asimptotik rejimde) algılama-verimlilik uyumsuzluğu ile kanıtlıyoruz. Özellikle, tuzak durum yöntemini algılama-verimlilik uyumsuzluğu durumuna uyarlıyoruz.
Öne çıkan görsel: Uyuşmazlık olmaması durumuna göre algılama verimliliği-uyumsuzluk durumunda gizli anahtar oranının azalması: Dedektör verimliliği 1 ve $eta$ ile uyumsuzluk durumundaki gizli anahtar oranının aşağıdaki gizli anahtar oranına oranı her iki etkinliğin de $(1+eta)/2$'a eşit olduğu uyumsuz eşleşme durumu. Düz çizgi: hata yok $Q=0$, kesikli çizgi: nispeten yüksek hata oranı $Q=0.09$ (mükemmel algılama durumu için kritik değere yakın $Qyaklaşık0.11$). Uyumsuzluk küçükse, yüksek hata oranları için bile gizli anahtar oranındaki düşüş nispeten küçüktür.
Popüler özet
Bununla birlikte, donanım aygıtlarının belirli kusurlarını hesaba katan güvenlik kanıtları hala zorludur. Bu tür kusurlardan biri, iki tek foton dedektörünün farklı kuantum verimliliklerine, yani farklı foton algılama olasılıklarına sahip olduğu, algılama-verimlilik uyumsuzluğu olarak adlandırılır. Böyle bir problem dikkate alınmalıdır, çünkü iki tamamen aynı dedektörü yapmak pratik olarak imkansızdır.
Matematiksel olarak, genel durum için algılama-verim uyumsuzluğu ile QKD için güvenlik kanıtı zordur çünkü ilgilendiğimiz Hilbert uzayı sonsuz boyutludur (özdeş dedektörler durumunda mümkün olan sonlu boyutlu bir uzaya indirgeme burada çalışmaz. ). Bu nedenle, güvenliği kanıtlamak için temelde yeni yaklaşımlar gerekliydi. Bu çalışmada önerilen ana yeni yöntem, entropik belirsizlik ilişkilerini kullanarak çoklu foton algılama olaylarının sayısının analitik bir sınırıdır. Bu, sorunu sonlu boyutlu bir soruna indirgememizi sağlar. Sonlu boyutlu problemin analitik çözümü için (ki bu hala önemsizdir), problemin simetrilerini kullanmayı öneriyoruz.
Bu nedenle, bu yazıda, algılama-verimlilik uyumsuzluğu ile BB84 protokolünün güvenliğini kanıtlıyoruz ve bu durumda gizli anahtar oranı için analitik olarak sınırlar türetiyoruz. Ayrıca, tuzak durum yöntemini algılama-verimlilik uyumsuzluğu durumuna uyarlıyoruz.
► BibTeX verileri
► Referanslar
[1] CH Bennett ve G. Brassard, Kuantum kriptografisi: Açık anahtar dağıtımı ve yazı tura atma, Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing, Bangalore, Hindistan (IEEE, New York, 1984), s. 175.
[2] D. Mayers, Gürültülü kanallarda Kuantum anahtar dağıtımı ve dizi habersiz aktarım, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv: kuant-ph / 9606003
[3] D. Mayers, Kuantum kriptografisinde koşulsuz güvenlik, JACM. 48, 351 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 382780.382781
[4] PW Shor ve J. Preskill, BB84 kuantum anahtar dağıtım protokolünün güvenliğinin basit kanıtı, Phys. Rev. Lett. 85, 441 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Kuantum anahtar dağıtımının güvenliği, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv: kuant-ph / 0512258
[6] M. Koashi, Kuantum anahtar dağıtımının tamamlayıcılığa dayalı basit güvenlik kanıtı, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin ve R. Renner, Kuantum kriptografisi için sıkı sonlu anahtar analizi, Nat. Komün. 3, 634 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1631
[8] M. Tomamichel ve A. Leverrier, Kuantum anahtar dağıtımı için büyük ölçüde bağımsız ve eksiksiz bir güvenlik kanıtı, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel ve 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 ve M. Peev, Quantum kriptografi, Rev. Mod. Fizik 81, 1301 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1301
[11] E. Diamanti, H.-K. Lo, B. Qi ve Z. Yuan, Kuantum anahtar dağıtımında pratik zorluklar, npj Quant. Enf. 2, 16025 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo ve J.-W. Pan, Gerçekçi cihazlarla güvenli kuantum anahtar dağıtımı, Rev. Mod. Fizik 92, 025002 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.025002
[13] N. Jain, B. Stiller, I. Khan, D. Elser, C. Marquardt ve G. Leuchs, Attacks on pratik kuantum anahtar dağıtım sistemleri (ve nasıl önlenir), Contemporary Physics 57, 366 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo ve X. Ma, Algılama verimliliği uyumsuzluğu ile kuantum anahtar dağıtımının güvenlik kanıtı, Quant. Enf. Bilgisayar. 9, 131 (2009).
http: / / dl.acm.org/ citation.cfm id = 2021256.2021264
[15] L. Lydersen ve J. Skaar, Bit ve baza bağlı dedektör kusurları ile kuantum anahtar dağıtımının güvenliği, Quant. Enf. Bilgisayar. 10, 60 (2010).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus ve PJ Coles, Kuantum anahtar dağıtımı için güvenilir sayısal anahtar oranları, Quantum 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bochkov ve AS Trushechkin, Tek foton durumunda algılama-verimlilik uyumsuzluğu ile kuantum anahtar dağıtımının güvenliği: Sıkı sınırlar, Phys. Rev. A 99, 032308 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan ve X. Ma, Kuantum anahtar dağılımında tutarlılığın operasyonel yorumu, Phys. Rev. A 99, 062325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder ve N. Lütkenhaus, Kuantum iletişiminde optik ölçümler için Squashing modelleri, Phys. Rev. Lett. 101, 093601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru ve K. Tamaki, Eşik dedektörlü kuantum anahtar dağıtım sistemleri için güvenlik kanıtı, 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 ve N. Lütkenhaus, Dedektörler ve kuantum-anahtar dağıtım protokollerine uygulamalar için Squashing modeli, Phys. Rev. A 89, 012325 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.012325
[22] Y. Zhang, PJ Coles, A. Winick, J. Lin ve N. Lütkenhaus, Algılama-verimlilik uyumsuzluğu ile pratik kuantum anahtar dağıtımının güvenlik kanıtı, Phys. Rev. Araş. 3 (013076).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma ve N. Lütkenhaus, Kuantum kriptografisinde zayıf tutarlı durumlarla açık durum ayrımcılığı, Phys. Rev. A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus ve M. Jahma, Gerçekçi durumlarla Kuantum anahtar dağılımı: foton sayısı bölme saldırısında foton sayısı istatistikleri, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] H.-K. Lo, X. Ma ve K. Chen, Decoy durum kuantum anahtar dağılımı, Phys. Rev. Lett. 94, 230504 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Pratik kuantum kriptografisinde foton-sayı bölme saldırısını yenmek, Phys. Rev. Lett. 94, 230503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao ve H.-K. Lo, Kuantum anahtar dağılımı için pratik tuzak durum, Phys. Rev. A 72, 012326 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi ve X. Ma, Pratik yem-durum kuantum-anahtar dağıtım sistemleri için geliştirilmiş anahtar-hız sınırları, Phys. Rev. A 95, 012333 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko ve AK Fedorov, Merkezi limit teoremi, 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 ve P. Villoresi, Qubit tabanlı senkronizasyon ile basit kuantum anahtar dağıtımı ve kendi kendini dengeleyen bir polarizasyon kodlayıcı, Optica 8, 284–290 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.381013
[31] Y. Zhang ve N. Lütkenhaus, Algılama-verim uyumsuzluğu ile Dolaşma doğrulaması, Phys. Rev. A 95, 042319 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi ve R. Renner, Entropi birikimi, Comm. Matematik. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis ve O. Fawzi, İyileştirilmiş ikinci derece terimli entropi birikimi, IEEE Trans. Enf. Teori 65, 7596 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2929564
[34] T. Metger ve R. Renner, Genelleştirilmiş entropi birikiminden kuantum anahtar dağılımının güvenliği, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, Kuantum Sistemleri, Kanallar, Bilgi. Matematiksel Bir Giriş (De Gruyter, Berlin, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma ve HF Chau, Kuantum-anahtar dağıtımı son işlemede pratik konular, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak ve A. Winter, Gizli anahtarın damıtılması ve kuantum durumlarından dolaşma, Proc. R. Soc. Londra, Ser. A, 461, 207 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard ve ND Mermin, Bell teoremi olmadan Kuantum kriptografisi, Phys. Rev. Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein ve N. Lütkenhaus, Güvenli kuantum anahtar dağıtımı için bir ön koşul olarak Entanglement, Phys. Rev. Lett. 92, 217903 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi ve N. Lütkenhaus, Kuantum anahtar dağılımında simetriler ve optimal saldırılar ile optimal klonlama arasındaki bağlantı, Phys. Rev. A 85, 052310 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin ve AK Fedorov, Kuantum anahtar dağıtımı için simetrik kör bilgi mutabakatı, Phys. Rev. Uygulanan 8, 044017 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin ve AK Fedorov, Kuantum anahtar dağıtımı için Simetrik kör bilgi mutabakatı ve karma işlev tabanlı doğrulama, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1134 / S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev ve AK Fedorov, Kuantum anahtar dağıtımının bilgi uzlaştırma aşamasında hata tahmini, J. Russ. Lazer Res. 39, 558 (2018).
HTTPS: / / doi.org/ 10.1007 / s10946-018-9752-il
[44] D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lütkenhaus ve J. Preskill, Kuantum anahtar dağıtımının kusurlu cihazlarla güvenliği, Quant. Enf. Bilgisayar. 5, 325 (2004).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes ve R. Renner, Kuantum belleğin varlığında belirsizlik ilkesi, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https://doi.org/10.1038/NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu ve RB Griffiths, Üçlü sistemlerin ve kuantum kanallarının bilgi-teorik tedavisi, Phys. Rev. A 83, 062338 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev ve N. Lütkenhaus, Yapılandırılmamış kuantum anahtar dağıtımı için sayısal yaklaşım, Nat. Komün. 7, 11712 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms11712
[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen ve H.-K. Lo, Kuantum korsanlığı: Pratik kuantum anahtar dağıtım sistemlerine karşı zaman kaydırmalı saldırının deneysel gösterimi, Phys. Rev. A 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes ve D. Reeb, Pozitif haritalar altında kuantum göreli entropinin Monotonluğu, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen ve JBM Uffink, Genelleştirilmiş entropik belirsizlik ilişkileri, 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 ve V. Makarov, Uzaysal mod dedektörü-verimlilik uyumsuzluğu nedeniyle boş alan kuantum anahtarı dağılımında güvenlik açığı, 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 ve P. Wallden, Kuantum kriptografisinde gelişmeler, Adv. Seç. Foton. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent ve D. Pitalúa-García, güvensiz kuantum kriptografisinde Multiphoton ve yan kanal saldırıları, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030338
Alıntılama
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman ve Rajkumar Buyya, "Quantum Computing: A Taxonomy, Systematic Review and Future Directions", arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent ve Damián Pitalúa-García, "Güvensiz Kuantum Kriptografisinde Multifoton ve Yan Kanal Saldırıları", PRX Kuantum 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin ve Norbert Lütkenhaus, "Algılama verimliliği uyumsuzluğu ile pratik kuantum anahtar dağıtımının güvenlik kanıtı", Fiziksel İnceleme Araştırması 3 1, 013076 (2021).
Yukarıdaki alıntılar SAO / NASA REKLAMLARI (son başarıyla 2022-07-22 09:35:20) güncellendi. Tüm yayıncılar uygun ve eksiksiz alıntı verisi sağlamadığından liste eksik olabilir.
Getirilemedi Alıntılanan veriler son girişim sırasında 2022-07-22 09:35:19: Crossref'ten 10.22331 / q-2022-07-22-771 için belirtilen veriler getirilemedi. DOI yakın zamanda kaydedildiyse bu normaldir.
Bu Makale, Quantum'da Creative Commons Atıf 4.0 Uluslararası (CC BY 4.0) lisans. Telif hakkı, yazarlar veya kurumları gibi orijinal telif hakkı sahiplerine aittir.
