Viện Toán học Steklov của RAS, Trung tâm Toán học Quốc tế Steklov, Moscow 119991, Nga
Khoa Toán và Trung tâm Truyền thông Lượng tử NTI, Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia MISIS, Moscow 119049, Nga
QRate, Skolkovo, Moscow 143025, Nga
Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.
Tóm tắt
Sự không phù hợp về hiệu quả phát hiện là một vấn đề phổ biến trong các hệ thống phân phối khóa lượng tử (QKD) thực tế. Các bằng chứng bảo mật hiện tại về QKD với sự không phù hợp về hiệu quả phát hiện dựa trên giả định về nguồn sáng đơn photon ở phía người gửi hoặc dựa trên giả định về đầu vào đơn photon của phía người nhận. Những giả định này đặt ra những hạn chế đối với lớp chiến lược nghe lén có thể. Ở đây, chúng tôi trình bày một bằng chứng bảo mật nghiêm ngặt mà không có các giả định này và do đó, giải quyết vấn đề quan trọng này và chứng minh tính bảo mật của QKD với sự không phù hợp về hiệu quả phát hiện trước các cuộc tấn công chung (trong chế độ tiệm cận). Cụ thể, chúng tôi điều chỉnh phương pháp trạng thái mồi nhử cho trường hợp không phù hợp về hiệu quả phát hiện.
Hình ảnh nổi bật: Giảm tỷ lệ khóa bí mật trong trường hợp hiệu quả phát hiện không khớp so với trường hợp không khớp: Tỷ lệ tỷ lệ khóa bí mật trong trường hợp không khớp với hiệu suất phát hiện 1 và $eta$ so với tỷ lệ khóa bí mật trong trường hợp không khớp với cả hai hiệu suất bằng $(1+eta)/2$. Đường liền nét: không có lỗi $Q=0$, đường đứt nét: tỷ lệ lỗi tương đối cao $Q=0.09$ (gần với giá trị tới hạn đối với trường hợp phát hiện hoàn hảo $Qapprox0.11$). Nếu sự không phù hợp là nhỏ, thì việc giảm tỷ lệ khóa bí mật là tương đối nhỏ ngay cả đối với tỷ lệ lỗi cao.
Tóm tắt phổ biến
Tuy nhiên, các bằng chứng bảo mật có tính đến sự không hoàn hảo nhất định của thiết bị phần cứng vẫn còn là một thách thức. Một trong những điểm không hoàn hảo như vậy được gọi là sự không phù hợp về hiệu quả phát hiện, trong đó hai máy dò đơn photon có hiệu suất lượng tử khác nhau, nghĩa là xác suất phát hiện photon khác nhau. Một vấn đề như vậy cần được tính đến vì thực tế không thể tạo ra hai máy dò hoàn toàn giống hệt nhau.
Về mặt toán học, bằng chứng bảo mật cho QKD với sự không phù hợp về hiệu suất phát hiện đối với trường hợp chung là một thách thức vì không gian Hilbert mà chúng ta xử lý là vô hạn chiều (việc giảm thành không gian hữu hạn chiều có thể xảy ra đối với trường hợp các máy dò giống hệt nhau không hoạt động ở đây ). Vì vậy, về cơ bản, các phương pháp mới để chứng minh tính bảo mật là bắt buộc. Phương pháp mới chính được đề xuất trong công việc này là một giới hạn phân tích của số lượng các sự kiện phát hiện đa photon bằng cách sử dụng các mối quan hệ không chắc chắn entropi. Điều này cho phép chúng tôi giảm vấn đề thành một vấn đề hữu hạn chiều. Đối với giải pháp phân tích của vấn đề hữu hạn chiều (vẫn không tầm thường), chúng tôi đề xuất sử dụng các phép đối xứng của vấn đề.
Do đó, trong bài báo này, chúng tôi chứng minh tính bảo mật của giao thức BB84 với sự không phù hợp về hiệu suất phát hiện và các giới hạn rút ra được về mặt phân tích đối với tỷ lệ khóa bí mật trong trường hợp này. Ngoài ra, chúng tôi điều chỉnh phương pháp trạng thái mồi nhử cho trường hợp hiệu quả phát hiện không phù hợp.
► Dữ liệu BibTeX
► Tài liệu tham khảo
[1] CH Bennett và G. Brassard, Mật mã lượng tử: Phân phối khóa công khai và tung đồng xu, trong Kỷ yếu của Hội nghị Quốc tế IEEE về Máy tính, Hệ thống và Xử lý Tín hiệu, Bangalore, Ấn Độ (IEEE, New York, 1984), tr. 175.
[2] D. Mayers, Phân phối khóa lượng tử và chuyển giao quên chuỗi trong các kênh ồn ào, arXiv:quant-ph/9606003 (1996).
arXiv: quant-ph / 9606003
[3] D. Mayers, Bảo mật vô điều kiện trong mật mã lượng tử, JACM. 48, 351 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1145 / 382780.382781
[4] PW Shor và J. Preskill, Bằng chứng đơn giản về bảo mật của giao thức phân phối khóa lượng tử BB84, Phys. Mục sư Lett. 85, 441 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.85.441
[5] R. Renner, Bảo mật phân phối khóa lượng tử, arXiv:quant-ph/0512258 (2005).
arXiv: quant-ph / 0512258
[6] M. Koashi, Bằng chứng bảo mật đơn giản về phân phối khóa lượng tử dựa trên tính bổ sung, New J. Phys. 11, 045018 (2009).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/4/045018
[7] M. Tomamichel, CCW Lim, N. Gisin và R. Renner, Phân tích khóa hữu hạn chặt chẽ cho mật mã lượng tử, Nat. cộng đồng. 3, 634 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1631
[8] M. Tomamichel và A. Leverrier, Một bằng chứng bảo mật hoàn chỉnh và độc lập về phân phối khóa lượng tử, Quantum 1, 14 (2017).
https://doi.org/10.22331/q-2017-07-14-14
[9] N. Gisin, G. Ribordy, W. Tittel và H. Zbinden, Mật mã lượng tử, Rev. Mod. Thể chất. 74, 145 (năm 2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.74.145
[10] V. Scarani, H. Bechmann-Pasquinucci, NJ Cerf, M. Dusek, N. Lütkenhaus, và M. Peev, Mật mã lượng tử, Rev. Mod. vật lý. 81, 1301 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1301
[11] E. Diamanti, H.-K. Lo, B. Qi và Z. Yuan, Những thách thức thực tế trong phân phối khóa lượng tử, npj Quant. thông tin liên lạc 2, 16025 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / npjqi.2016.25
[12] F. Xu, X. Ma, Q. Zhang, H.-K. Lo, và J.-W. Pan, Phân phối khóa lượng tử an toàn với các thiết bị thực tế, Rev. Mod. vật lý. 92, 025002 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.92.025002
[13] N. Jain, B. Stiller, I. Khan, D. Elser, C. Marquardt và G. Leuchs, Các cuộc tấn công vào các hệ thống phân phối khóa lượng tử thực tế (và cách ngăn chặn chúng), Vật lý đương đại 57, 366 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 00107514.2016.1148333
[14] CHF Fung, K. Tamaki, B. Qi, H.-K. Lo và X. Ma, Bằng chứng bảo mật về phân phối khóa lượng tử với hiệu quả phát hiện không khớp, Quant. thông tin liên lạc Điện toán. 9, 131 (2009).
http: / / dl.acm.org/ cites.cfm? id = 2021256.2021264
[15] L. Lydersen và J. Skaar, Bảo mật phân phối khóa lượng tử với các lỗ hổng máy dò phụ thuộc cơ sở và bit, Quant. thông tin liên lạc Điện toán. 10, 60 (2010).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011438.2011443
[16] A. Winick, N. Lütkenhaus và PJ Coles, Tỷ lệ khóa số đáng tin cậy để phân phối khóa lượng tử, Lượng tử 2, 77 (2018).
https://doi.org/10.22331/q-2018-07-26-77
[17] MK Bochkov và AS Trushechkin, Bảo mật phân phối khóa lượng tử với sự không phù hợp về hiệu quả phát hiện trong trường hợp đơn photon: Giới hạn chặt chẽ, Phys. Linh mục A 99, 032308 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.032308
[18] J. Ma, Y. Zhou, X. Yuan và X. Ma, Giải thích hoạt động của sự gắn kết trong phân phối khóa lượng tử, Phys. Linh mục A 99, 062325 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.062325
[19] NJ Beaudry, T. Moroder và N. Lütkenhaus, Các mô hình nén cho các phép đo quang học trong truyền thông lượng tử, Phys. Mục sư Lett. 101, 093601 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.101.093601
[20] T. Tsurumaru và K. Tamaki, Bằng chứng bảo mật cho các hệ thống phân phối khóa lượng tử với bộ dò ngưỡng, Phys. Linh mục A 78, 032302 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.032302
[21] O. Gittsovich, NJ Beaudry, V. Narasimhachar, RR Alvarez, T. Moroder, và N. Lütkenhaus, Mô hình ép cho máy dò và ứng dụng cho các giao thức phân phối khóa lượng tử, Phys. Lm A 89, 012325 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.012325
[22] Y. Zhang, PJ Coles, A. Winick, J. Lin và N. Lütkenhaus, Bằng chứng bảo mật về phân phối khóa lượng tử thực tế với sự không phù hợp về hiệu quả phát hiện, Phys. Linh mục Res. 3, 013076 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013076
[23] M. Dušek, M. Jahma và N. Lütkenhaus, Sự phân biệt trạng thái rõ ràng trong mật mã lượng tử với các trạng thái kết hợp yếu, Phys. Lm A 62, 022306 (2000).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.62.022306
[24] N. Lütkenhaus và M. Jahma, Phân phối khóa lượng tử với các trạng thái thực tế: thống kê số photon trong cuộc tấn công phân tách số photon, New J. Phys. 4, 44 (2002).
https://doi.org/10.1088/1367-2630/4/1/344
[25] HK. Lo, X. Ma và K. Chen, Phân phối khóa lượng tử trạng thái mồi nhử, Phys. Mục sư Lett. 94, 230504 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230504
[26] X.-B. Wang, Đánh bại cuộc tấn công tách số photon trong mật mã lượng tử thực tế, Phys. Mục sư Lett. 94, 230503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.230503
[27] X. Ma, B. Qi, Y. Zhao và H.-K. Lo, Trạng thái mồi nhử thực tế để phân phối khóa lượng tử, Phys. Lm A 72, 012326 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012326
[28] Z. Zhang, Q. Zhao, M. Razavi và X. Ma, Các giới hạn tốc độ khóa được cải thiện cho các hệ thống phân phối khóa lượng tử trạng thái mồi nhử thực tế, Phys. Linh mục A 95, 012333 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.012333
[29] AS Trushechkin, EO Kiktenko, và AK Fedorov, Các vấn đề thực tế trong phân phối khóa lượng tử trạng thái mồi nhử dựa trên định lý giới hạn trung tâm, Phys. Linh mục 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 và P. Villoresi, Phân phối khóa lượng tử đơn giản với đồng bộ hóa dựa trên qubit và bộ mã hóa phân cực tự bù, Optica 8, 284–290 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.381013
[31] Y. Zhang và N. Lütkenhaus, Xác minh vướng víu với sự không phù hợp về hiệu quả phát hiện, Phys. Linh mục A 95, 042319 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.95.042319
[32] F. Dupuis, O. Fawzi, và R. Renner, Tích lũy Entropy, Comm. Môn Toán. 379, 867 (2020).
https://doi.org/10.1007/s00220-020-03839-5
[33] F. Dupuis và O. Fawzi, Tích lũy Entropy với số hạng bậc hai cải tiến, IEEE Trans. thông tin liên lạc Lý thuyết 65, 7596 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TIT.2019.2929564
[34] T. Metger và R. Renner, Bảo mật phân phối khóa lượng tử khỏi tích lũy entropy tổng quát, arXiv:2203.04993 (2022).
arXiv: 2203.04993
[35] AS Holevo, Hệ thống lượng tử, Kênh, Thông tin. Giới thiệu toán học (De Gruyter, Berlin, 2012).
[36] CHF Fung, X. Ma, và HF Chau, Các vấn đề thực tế trong hậu xử lý phân phối khóa lượng tử, Phys. Rev. A 81, 012318 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.81.012318
[37] I. Devetak và A. Winter, Chắt lọc khóa bí mật và sự vướng víu từ các trạng thái lượng tử, Proc. R. Sóc. Luân Đôn, Ser. A, 461, 207 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372
[38] CH Bennett, G. Brassard, và ND Mermin, Mật mã lượng tử không có định lý Bell, Phys. Mục sư Lett. 68, 557 (1992).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.68.557
[39] M. Curty, M. Lewenstein và N. Lütkenhaus, Sự vướng víu như một điều kiện tiên quyết để phân phối khóa lượng tử an toàn, Phys. Mục sư Lett. 92, 217903 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.92.217903
[40] A. Ferenczi và N. Lütkenhaus, Tính đối xứng trong phân phối khóa lượng tử và mối liên hệ giữa tấn công tối ưu và nhân bản tối ưu, Phys. Linh mục A 85, 052310 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.85.052310
[41] EO Kiktenko, AS Trushechkin, CCW Lim, YV Kurochkin, và AK Fedorov, Đối chiếu thông tin mù đối xứng để phân phối khóa lượng tử, Phys. Rev. Áp dụng 8, 044017 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.044017
[42] EO Kiktenko, AS Trushechkin và AK Fedorov, Đối chiếu thông tin mù đối xứng và xác minh dựa trên hàm băm để phân phối khóa lượng tử, Lobachevskii J. Math. 39, 992 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1134 / S1995080218070107
[43] EO Kiktenko, AO Malyshev, AA Bozhedarov, NO Pozhar, MN Anufriev và AK Fedorov, Ước tính lỗi ở giai đoạn đối chiếu thông tin của phân phối khóa lượng tử, J. Russ. Độ phân giải laze. 39, 558 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s10946-018-9752-y
[44] D. Gottesman, H.-K. Lo, N. Lütkenhaus và J. Preskill, Bảo mật phân phối khóa lượng tử với các thiết bị không hoàn hảo, Quant. thông tin liên lạc Điện toán. 5, 325 (2004).
https: / / dl.acm.org/ doi / 10.5555 / 2011586.2011587
[45] M. Berta, M. Christandl, R. Colbeck, JM Renes, và R. Renner, Nguyên lý bất định với sự hiện diện của bộ nhớ lượng tử, Nature Phys. 6, 659 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / NPHYS1734
[46] PJ Coles, L. Yu, V Gheorghiu, và RB Griffiths, Xử lý lý thuyết thông tin của các hệ thống ba bên và các kênh lượng tử, Phys. Linh mục A 83, 062338 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.83.062338
[47] PJ Coles, EM Metodiev và N. Lütkenhaus, Phương pháp tiếp cận số để phân phối khóa lượng tử phi cấu trúc, Nat. cộng đồng. 7, 11712 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms11712
[48] Y. Zhao, CHF Fung, B. Qi, C. Chen và H.-K. Lo, Hack lượng tử: Trình diễn thử nghiệm cuộc tấn công dịch chuyển thời gian chống lại các hệ thống phân phối khóa lượng tử thực tế, Phys. Linh mục A 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333
[49] A. Müller-Hermes và D. Reeb, Tính đơn điệu của entropy tương đối lượng tử dưới bản đồ dương, Annales Henri Poincaré 18, 1777 (2017).
https://doi.org/10.1007/s00023-017-0550-9
[50] H. Maassen và JBM Uffink, Quan hệ bất định entropi tổng quát, Phys. Mục sư Lett. 60, 1103 (1988).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.60.1103
[51] S. Sajeed, P. Chaiwongkhot, J.-P. Bourgoin, T. Jennewein, N. Lütkenhaus và V. Makarov, Lỗ hổng bảo mật trong phân phối khóa lượng tử trong không gian tự do do sự không phù hợp về hiệu quả của máy dò chế độ không gian, Phys. Mục sư 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, và P. Wallden, Những tiến bộ trong mật mã lượng tử, Adv. Opt. phôtôn. 12, 1012 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / AOP.361502
[53] M. Bozzio, A. Cavaillés, E. Diamanti, A. Kent và D. Pitalúa-García, Tấn công đa điểm ảnh và kênh phụ trong mật mã lượng tử không đáng tin cậy, PRX Quantum 2, 030338 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.030338
Trích dẫn
[1] Sukhpal Singh Gill, Adarsh Kumar, Harvinder Singh, Manmeet Singh, Kamalpreet Kaur, Muhammad Usman và Rajkumar Buyya, “Điện toán lượng tử: Phân loại, Đánh giá có hệ thống và Định hướng trong tương lai”, arXiv: 2010.15559.
[2] Mathieu Bozzio, Adrien Cavaillès, Eleni Diamanti, Adrian Kent và Damián Pitalúa-García, “Các cuộc tấn công đa âm và kênh bên trong mật mã lượng tử đáng tin cậy”, PRX lượng tử 2 3, 030338 (2021).
[3] Yanbao Zhang, Patrick J. Coles, Adam Winick, Jie Lin và Norbert Lütkenhaus, “Bằng chứng bảo mật về phân phối khóa lượng tử thực tế với hiệu quả phát hiện không khớp”, Nghiên cứu đánh giá vật lý 3 1, 013076 (2021).
Các trích dẫn trên là từ SAO / NASA ADS (cập nhật lần cuối thành công 2022 / 07-22 09:35:20). Danh sách có thể không đầy đủ vì không phải tất cả các nhà xuất bản đều cung cấp dữ liệu trích dẫn phù hợp và đầy đủ.
Không thể tìm nạp Crossref trích dẫn bởi dữ liệu trong lần thử cuối cùng 2022 / 07-22 09:35:19: Không thể tìm nạp dữ liệu được trích dẫn cho 10.22331 / q-2022 / 07-22-771 từ Crossref. Điều này là bình thường nếu DOI đã được đăng ký gần đây.
Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.
