Stav návnady - Decoy state


Stav návnady kvantová distribuce klíčů (QKD) protokol je nejrozšířenějším schématem QKD. Praktické systémy QKD používají na rozdíl od standardu vícefotonové zdroje BB84 protokolu, což je činí náchylnými k rozdělení fotonového čísla (PNS) útoky. To by významně omezilo bezpečnou přenosovou rychlost nebo maximální délku kanálu v praktických systémech QKD. U techniky návnadových stavů je tato základní slabost praktických systémů QKD řešena použitím více úrovní intenzity u zdroje vysílače, tj. Qubits jsou přenášeny Alicí pomocí náhodně zvolených úrovní intenzity (jeden stav signálu a několik stavů návnad), což má za následek různé číslo fotonu statistiky v celém kanálu. Na konci přenosu Alice veřejně oznámí, která úroveň intenzity byla použita pro přenos každého qubitu. Úspěšný útok PNS vyžaduje udržování bitové chybovosti (BER) na konci přijímače, což nelze dosáhnout statistikami s více fotonovými čísly. Monitorováním BER spojených s každou úrovní intenzity budou dvě legitimní strany schopny detekovat útok PNS s vysoce zvýšenými zabezpečenými přenosovými rychlostmi nebo maximálními délkami kanálů, díky čemuž budou systémy QKD vhodné pro praktické aplikace.

Motivace

V bezpečnostních důkazech protokolů QKD, jako je BB84 „Předpokládá se, že odesílatel použije jeden fotonový zdroj, Alice. Ve skutečnosti neexistuje dokonalý jediný fotonový zdroj. Místo toho praktické zdroje, například slabé soudržný stav laserový zdroj, jsou pro QKD široce používány. Klíčový problém těchto praktických zdrojů QKD spočívá v jejich vícefotonových složkách. Vážná bezpečnostní mezera existuje, když Alice používá jako nosiče kvantových informací multi-fotonové stavy. S multi-fotonovými komponentami mohla odposlech, Eva, v zásadě fotony rozdělit, ponechat si jeden foton a zbytek poslat Bobovi. Poté, co Alice a Bob oznámí základní informace, může Eva změřit zachycený foton, aby získala klíčové informace. Když je kanál ztrátový, může Eva zahájit sofistikovanější útoky, například útok na rozdělení fotonového čísla. Aby se minimalizovaly účinky stavů více fotonů, musí Alice použít extrémně slabý laserový zdroj, což má za následek relativně nízkou rychlost QKD. Metoda návnadového stavu je navržena k řešení tohoto problému s více fotony pomocí několika různých intenzit fotonů místo jedné. U návnadových stavů jsou praktické zdroje, například zdroj koherentního stavu nebo ohlašovány parametrická down-konverze (PDC), fungují téměř stejně dobře jako jeden fotonový zdroj. [1]

Rozvoj

Režim návnadového stavu navrhl Won-Young Hwang z Northwestern University.[2] Později byla jeho bezpečnost prokázána vývojem modelu kanálu fotonového čísla a za předpokladu použití nekonečného počtu stavů návnad.[3] Běžná praktická metoda stavu návnady potřebuje pouze dva stavy návnady, vakuovou návnadu a slabou návnadu. Tuto metodu stavu vakuum + slabý návnadu poprvé navrhl Hoi-Kwong Lo z University of Toronto,[4] a poté byl analyzován ostatními. [5][6] Ukázalo se, že pouze s vakuem a slabými stavy návnady je dosažená klíčová rychlost velmi blízká případu nekonečného stavu návnady.[6]

Experimentální demonstrace

První experiment s metodou návnadového stavu provedla skupina Hoi-Kwong Lo a jejich spolupracovník Li Qian, [7] kde metoda stavu jednoho návnady [6] je zaměstnán. Přenosová vzdálenost je 15 km a rychlost generování klíčů je 165 bit / s. Poté je pomocí metody vakuového + slabého stavu návnad pomocí 60 km vlákna předvedena delší vzdálenost QKD. [8] Později tři experimentální skupiny demonstrovaly metodu návnadového stavu na vzdálenosti 100 km. [9][10][11] Poté následuje řada dalších demonstrací. [12][13]

Stav návnady QKD pomocí zdrojů nekoherentního stavu

Byly také analyzovány návnadové stavové protokoly QKD se zdroji nekoherentního stavu. Pasivní protokol stavu návnady, kde jsou stavy návnady připravovány pasivně, je navržen jako a parametrická down-konverze zdroj.[14][15]

Viz také

Reference

  1. ^ Ma, Xiongfeng (2008). Kvantová kryptografie: od teorie k praxi (Ph.D.). University of Toronto. arXiv:0808.1385.
  2. ^ Hwang, Won-Young (1. července 2003). „Kvantová distribuce klíčů s vysokou ztrátou: směrem ke globální zabezpečené komunikaci“. Dopisy o fyzické kontrole. 91 (5): 057901. arXiv:quant-ph / 0211153. Bibcode:2003PhRvL..91e7901H. doi:10.1103 / physrevlett.91.057901. ISSN  0031-9007. PMID  12906634.
  3. ^ Lo, Hoi-Kwong; Ma, Xiongfeng; Chen, Kai (16. června 2005). Msgstr "Distribuce kvantového klíče ve stavu návnady". Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 94 (23): 230504. arXiv:quant-ph / 0411004. Bibcode:2005PhRvL..94w0504L. doi:10.1103 / physrevlett.94.230504. ISSN  0031-9007. PMID  16090452.
  4. ^ Lo, Hoi-Kwong (2004). Kvantová distribuce klíčů s vakuem nebo tlumenými pulzy jako stavy návnad. Proceedings of 2004 IEEE International Symposium on Information Theory. New York: IEEE Press. str. 137. doi:10.1109 / ISIT.2004.1365174. ISBN  0-7803-8280-3.
  5. ^ Wang, Xiang-Bin (16. června 2005). „Překonání útoku na rozdělení fotonů a čísel v praktické kvantové kryptografii“. Dopisy o fyzické kontrole. 94 (23): 230503. arXiv:quant-ph / 0410075. Bibcode:2005PhRvL..94w0503W. doi:10.1103 / fyzrevlett.94.230503. ISSN  0031-9007. PMID  16090451.
  6. ^ A b C Ma, Xiongfeng; Qi, Bing; Zhao, Yi; Lo, Hoi-Kwong (20. července 2005). "Praktický stav návnad pro distribuci kvantových klíčů". Fyzický přehled A. Americká fyzická společnost (APS). 72 (1): 012326. arXiv:quant-ph / 0503005. Bibcode:2005PhRvA..72a2326M. doi:10.1103 / physreva.72.012326. ISSN  1050-2947.
  7. ^ Zhao, Yi; Qi, Bing; Ma, Xiongfeng; Lo, Hoi-Kwong; Qian, Li (22. února 2006). "Experimentální distribuce kvantových klíčů s návnadovými stavy". Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 96 (7): 070502. arXiv:quant-ph / 0503192. Bibcode:2006PhRvL..96g0502Z. doi:10.1103 / physrevlett.96.070502. ISSN  0031-9007. PMID  16606067.
  8. ^ Zhao, Yi; Qi, Bing; Ma, Xiongfeng; Lo, Hoi-kwong; Qian, Li (2006). Simulace a implementace distribuce kvantového klíče návnadového stavu přes 60 km telekomunikačních vláken. IEEE. str. 2094–2098. arXiv:quant-ph / 0601168. doi:10.1109 / isit.2006.261920. ISBN  1-4244-0505-X.
  9. ^ Rosenberg, Danna; Harrington, Jim W .; Rice, Patrick R .; Hiskett, Philip A .; Peterson, Charles G .; Hughes, Richard J .; Lita, Adriana E .; Nam, Sae Woo; Nordholt, Jane E. (5. ledna 2007). „Distanční kvantová distribuce klíče na dálku v optickém vláknu“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 98 (1): 010503. arXiv:quant-ph / 0607186. Bibcode:2007PhRvL..98a0503R. doi:10.1103 / fyzrevlett.98.010503. ISSN  0031-9007. PMID  17358462.
  10. ^ Schmitt-Manderbach, Tobias; Weier, Henning; Fürst, Martin; Ursin, Rupert; Tiefenbacher, Felix; Scheidl, Thomas; Perdigues, Josep; Sodnik, Zoran; Kurtsiefer, Christian; Rarity, John G .; Zeilinger, Anton; Weinfurter, Harald (5. ledna 2007). „Experimentální ukázka distribuce kvantového klíče stavu volného prostoru ve stavu návnady na 144 km“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 98 (1): 010504. Bibcode:2007PhRvL..98a0504S. doi:10.1103 / fyzrevlett.98.010504. ISSN  0031-9007. PMID  17358463.
  11. ^ Peng, Cheng-Zhi; Zhang, červen; Yang, Dong; Gao, Wei-Bo; Ma, Huai-Xin; Yin, Hao; Zeng, He-Ping; Yang, Tao; Wang, Xiang-Bin; Pan, Jian-Wei (5. ledna 2007). „Experimentální distribuce kvantového klíče na dálku ve stavu návnady na základě kódování polarizace“. Dopisy o fyzické kontrole. 98 (1): 010505. arXiv:quant-ph / 0607129. Bibcode:2007PhRvL..98a0505P. doi:10.1103 / fyzrevlett.98.010505. ISSN  0031-9007. PMID  17358464.
  12. ^ Yuan, Z. L .; Sharpe, A. W .; Shields, A. J. (2007). "Bezpodmínečně zabezpečte jednosměrnou distribuci kvantových klíčů pomocí návnadových pulzů". Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 90 (1): 011118. arXiv:quant-ph / 0610015. Bibcode:2007ApPhL..90a1118Y. doi:10.1063/1.2430685. ISSN  0003-6951.
  13. ^ Shams Musáví, S. H .; Gallion, P. (24. července 2009). "Distribuce kvantového klíče ve stavu návnady pomocí detekce homodynu". Fyzický přehled A. Americká fyzická společnost (APS). 80 (1): 012327. arXiv:1411.6155. Bibcode:2009PhRvA..80a2327S. doi:10.1103 / physreva.80.012327. ISSN  1050-2947.
  14. ^ Adachi, Yoritoshi; Yamamoto, Takashi; Koashi, Masato; Imoto, Nobuyuki (2. listopadu 2007). "Jednoduchá a efektivní distribuce kvantových klíčů s parametrickou down-konverzí". Dopisy o fyzické kontrole. 99 (18): 180503. arXiv:quant-ph / 0610118. Bibcode:2007PhRvL..99r0503A. doi:10.1103 / fyzrevlett.99.180503. ISSN  0031-9007. PMID  17995389.
  15. ^ Ma, Xiongfeng; Lo, Hoi-Kwong (9. července 2008). „Kvantová distribuce klíčů se spuštěním parametrických zdrojů down-conversion“. New Journal of Physics. 10 (7): 073018. arXiv:0803.2543. Bibcode:2008NJPh ... 10g3018M. doi:10.1088/1367-2630/10/7/073018. ISSN  1367-2630.

externí odkazy