Ένα παιχνίδι συνοχής και εφαρμογές για διανομή κβαντικών κλειδιών ημι-ανεξάρτητη από συσκευές

Ένα παιχνίδι συνοχής και εφαρμογές για διανομή κβαντικών κλειδιών ημι-ανεξάρτητη από συσκευές

Χρονική σήμανση: 22 Αυγούστου 2023 10:22 π.μ.
Κόμβος πηγής: 2839411

Μάριο Σίλβα1, Ρικάρντο Φαλέιρο2, Πάουλο Ματέους2,3, και τον Emmanuel Zambrini Cruzeiro2

1Université de Lorraine, CNRS, Inria, LORIA, F-54000 Nancy, Γαλλία
2Instituto de Telecomunicações, 1049-001, Λισαβόνα, Πορτογαλία
3Departamento de Matemática, Instituto Superior Técnico, Avenida Rovisco Pais 1049-001, Λισαβόνα, Πορτογαλία

Βρείτε αυτό το άρθρο ενδιαφέρουσα ή θέλετε να συζητήσετε; Scite ή αφήστε ένα σχόλιο για το SciRate.

Περίληψη

Η διανομή κβαντικού κλειδιού ημι-ανεξάρτητη από συσκευές στοχεύει στην επίτευξη ισορροπίας μεταξύ του υψηλότερου επιπέδου ασφάλειας, της ανεξαρτησίας της συσκευής και της πειραματικής σκοπιμότητας. Η διανομή ημι-κβαντικού κλειδιού παρουσιάζει μια ενδιαφέρουσα προσέγγιση που επιδιώκει να ελαχιστοποιήσει την εξάρτηση των χρηστών στις κβαντικές λειτουργίες διατηρώντας παράλληλα την ασφάλεια, επιτρέποντας έτσι την ανάπτυξη απλοποιημένων κβαντικών πρωτοκόλλων με ανοχή σε σφάλματα υλικού. Σε αυτήν την εργασία, εισάγουμε ένα πρωτόκολλο διανομής κλειδιού που βασίζεται στη συνοχή, ημι-ανεξάρτητο από συσκευές, ημι-κβαντικό πρωτόκολλο που βασίζεται σε μια ισχυρή έκδοση θορύβου ενός παιχνιδιού ισότητας συνοχής που είναι μάρτυρας διαφόρων τύπων συνοχής. Η ασφάλεια αποδεικνύεται στο μοντέλο περιορισμένης κβαντικής αποθήκευσης, που απαιτεί από τους χρήστες να εφαρμόζουν μόνο κλασικές λειτουργίες, ειδικά ανιχνεύσεις σταθερής βάσης.

Δημοφιλή περίληψη

Η κρυπτογραφία ανεξάρτητη από συσκευές στοχεύει στη δημιουργία ασφάλειας με ελάχιστες υποθέσεις σχετικά με τις συσκευές που χρησιμοποιούνται. Εναλλακτικά, ο στόχος της ημι-κβαντικής προοπτικής είναι να μειώσει την εξάρτηση των χρηστών από τις κβαντικές λειτουργίες, διασφαλίζοντας παράλληλα ασφάλεια με βάση τις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Σε αυτήν την εργασία, επεκτείνουμε ένα παιχνίδι ισότητας συνοχής σε ένα σενάριο με ισχυρό θόρυβο και αποδεικνύουμε την ικανότητά του να διαφοροποιεί στατιστικά μεταξύ τριών τύπων πόρων συνοχής: μη συνεκτικές, διαχωρισμένες συνεκτικές και εμπλεκόμενες συνεκτικές καταστάσεις. Με βάση το παιχνίδι, παρουσιάζουμε ένα πρωτόκολλο διανομής κβαντικού κλειδιού απόδειξης της ιδέας. Σε αυτό το πρωτόκολλο, η Alice και ο Bob χρειάζεται μόνο να εκτελούν ανιχνεύσεις αξιόπιστων σωματιδίων μέσα στα εργαστήριά τους, ενώ τα υπόλοιπα στοιχεία του πρωτοκόλλου θεωρούνται μη αξιόπιστα. Συνεπώς, αυτό το πρωτόκολλο μπορεί να χαρακτηριστεί επακριβώς ως ημι-ανεξάρτητο από τη συσκευή και ως ημι-κβαντικό, επιδεικνύοντας τη συμβατότητα και των δύο πλαισίων.

► Δεδομένα BibTeX

► Αναφορές

[1] MS Sharbaf. «Κβαντική κρυπτογραφία: Μια αναδυόμενη τεχνολογία στην ασφάλεια δικτύου». 2011 IEEE International Conference on Technologies for Homeland Security (HST)Σελίδες 13–19 (2011).
https://doi.org/​10.1109/THS.2011.6107841

[2] Peter W. Shor. «Αλγόριθμοι πολυωνυμικού χρόνου για παραγοντοποίηση πρώτων και διακριτοί λογάριθμοι σε κβαντικό υπολογιστή». SIAM J. Comput., 26(5), 1484–1509 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0097539795293172

[3] Charles H. Bennett και Gilles Brassard. «Κβαντική κρυπτογραφία: Διανομή δημόσιου κλειδιού και ρίψη νομισμάτων». Theoretical Computer Science 560, 7–11 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.tcs.2014.05.025

[4] Dominic Mayers και Andrew Yao. «Κβαντική κρυπτογραφία με ατελείς συσκευές». Πρακτικά του 39ου Ετήσιου Συμποσίου για τα Θεμέλια της Επιστήμης των Υπολογιστών (1998).

[5] Dominic Mayers και Andrew Yao. «Αυτοδοκιμαστική κβαντική συσκευή». Quantum Info. Υπολογιστής. 4, 273–286 (2004).

[6] Umesh Vazirani και Thomas Vidick. «Κανονική κατανομή κβαντικού κλειδιού πλήρως ανεξάρτητη από τη συσκευή». Physical Review Letters 113 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.113.140501

[7] Rotem Arnon-Friedman, Frédéric Dupuis, Omar Fawzi, Renato Renner και Thomas Vidick. «Πρακτική κβαντική κρυπτογραφία ανεξάρτητη από τη συσκευή μέσω συσσώρευσης εντροπίας». Nature Communications 9, 459 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-017-02307-4

[8] S. Pironio, A. Acín, S. Massar, A. Boyer de la Giroday, DN Matsukevich, P. Maunz, S. Olmschenk, D. Hayes, L. Luo, TA Manning και et al. «Τυχαίοι αριθμοί πιστοποιημένοι με το θεώρημα του κουδουνιού». Nature 464, 1021–1024 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09008

[9] Antonio Acín, Serge Massar και Stefano Pironio. «Τυχαιότητα έναντι μη τοπικότητας και διαπλοκής». Phys. Αναθ. Lett. 108, 100402 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.100402

[10] Nati Aharon, André Chailloux, Ιορδάνης Κερενίδης, Serge Massar, Stefano Pironio και Jonathan Silman. "Αδύναμη ανατροπή νομίσματος σε ρύθμιση ανεξάρτητη από τη συσκευή". In Revised Selected Papers of the 6th Conference on Theory of Quantum Computation, Communication, and Cryptography – Τόμος 6745, σελ.1–12. TQC 2011 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-54429-3_1

[11] Ricardo Faleiro και Manuel Goulão. «Κβαντική εξουσιοδότηση ανεξάρτητη από τη συσκευή που βασίζεται στο παιχνίδι Clauser-Horne-Shimony-Holt». Phys. Αναθ. Α 103, 022430 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.022430

[12] DP Nadlinger, P. Drmota, BC Nichol, G. Araneda, D. Main, R. Srinivas, DM Lucas, CJ Ballance, K. Ivanov, EY-Z. Tan, P. Sekatski, RL Urbanke, R. Renner, N. Sangouard και J.-D. Bancal. «Πειραματική κατανομή κβαντικού κλειδιού πιστοποιημένη από το θεώρημα του Bell». Nature 607, 682–686 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04941-5

[13] Wei Zhang, Tim van Leent, Kai Redeker, Robert Garthoff, René Schwonnek, Florian Fertig, Sebastian Eppelt, Wenjamin Rosenfeld, Valerio Scarani, Charles C.-W. Lim και Harald Weinfurter. «Ένα σύστημα διανομής κβαντικού κλειδιού ανεξάρτητο από συσκευές για απομακρυσμένους χρήστες». Nature 607, 687–691 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-022-04891-y

[14] Wen-Zhao Liu, Yu-Zhe Zhang, Yi-Zheng Zhen, Ming-Han Li, Yang Liu, Jingyun Fan, Feihu Xu, Qiang Zhang και Jian-Wei Pan. «Προς μια φωτονική επίδειξη κατανομής κβαντικού κλειδιού ανεξάρτητη από τη συσκευή». Phys. Αναθ. Lett. 129, 050502 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.050502

[15] Marcin Pawłowski και Nicolas Brunner. «Ασφάλεια μονόδρομης κβαντικής διανομής κλειδιού ανεξάρτητη από ημι-συσκευή». Phys. Αναθ. Α 84, 010302 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.010302

[16] Anubhav Chaturvedi, Maharshi Ray, Ryszard Veynar και Marcin Pawłowski. «Σχετικά με την ασφάλεια των πρωτοκόλλων QKD ημι-ανεξάρτητων συσκευών». Quantum Information Processing 17, 131 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s11128-018-1892-z

[17] Armin Tavakoli, Jędrzej Kaniewski, Tamás Vértesi, Denis Rosset και Nicolas Brunner. «Αυτοέλεγχος κβαντικών καταστάσεων και μετρήσεων στο σενάριο προετοιμασίας και μέτρησης». Phys. Α' 98, 062307 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062307

[18] Αρμίν Ταβακολή. «Πιστοποίηση ανεξάρτητης κβαντικής κατάστασης και συσκευών μέτρησης ημι-ανεξάρτητη συσκευή». Phys. Αναθ. Lett. 125, 150503 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150503

[19] Thomas Van Himbeeck, Erik Woodhead, Nicolas J. Cerf, Raúl García-Patrón και Stefano Pironio. «Πλαίσιο ημι-ανεξάρτητο από συσκευές βασισμένο σε φυσικές υποθέσεις». Quantum 1, 33 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-11-18-33

[20] Armin Tavakoli, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Erik Woodhead και Stefano Pironio. «Πληροφοριακά περιορισμένοι συσχετισμοί: ένα γενικό πλαίσιο για κλασικά και κβαντικά συστήματα». Quantum 6, 620 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-01-05-620

[21] Armin Tavakoli, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Erik Woodhead και Stefano Pironio. «Πληροφοριακά περιορισμένοι συσχετισμοί: ένα γενικό πλαίσιο για κλασικά και κβαντικά συστήματα». Quantum 6, 620 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-01-05-620

[22] Weixu Shi, Yu Cai, Jonatan Bohr Brask, Hugo Zbinden και Nicolas Brunner. «Χαρακτηρισμός κβαντικών μετρήσεων ανεξάρτητος από ημι-συσκευή υπό μια υπόθεση ελάχιστης επικάλυψης». Phys. Α' 100, 042108 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.042108

[23] Hasan Iqbal και Walter O. Krawec. «Ημι-κβαντική κρυπτογραφία». Quantum Information Processing 19, 97 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11128-020-2595-9

[24] Michel Boyer, Ran Gelles, Dan Kenigsberg και Tal Mor. «Ημικβαντική κατανομή κλειδιού». Phys. Αναθ. Α 79, 032341 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.79.032341

[25] Francesco Massa, Preeti Yadav, Amir Moqanaki, Walter O. Krawec, Paulo Mateus, Nikola Paunković, André Souto και Philip Walther. «Πειραματική ημι-κβαντική διανομή κλειδιού με κλασικούς χρήστες». Quantum 6, 819 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-22-819

[26] Flavio Del Santo και Borivoje Dakić. «Ισότητα συνοχής και επικοινωνία σε μια κβαντική υπέρθεση». Physical Review Letters 124 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.124.190501

[27] Lieven Vandenberghe και Stephen Boyd. «Ημικαθορισμένος προγραμματισμός». SIAM Rev. 38, 49–95 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 1038003

[28] Károly F. Pál και Tamás Vértesi. «Αποτελεσματικότητα χώρων Hilbert υψηλότερων διαστάσεων για την παραβίαση των ανισοτήτων καμπάνας». Phys. Αναθ. Α 77, 042105 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.042105

[29] Matthew McKague, Michele Mosca και Nicolas Gisin. "Προομοίωση κβαντικών συστημάτων χρησιμοποιώντας πραγματικούς χώρους Hilbert". Phys. Αναθ. Lett. 102, 020505 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.020505

[30] KC Toh, MJ Todd και RH Tütüncü. "Sdpt3 — ένα πακέτο λογισμικού matlab για ημιορισμένο προγραμματισμό, έκδοση 1.3". Optimization Methods and Software 11, 545–581 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 10556789908805762

[31] Reinhard F. Werner και Michael M. Wolf. «Bell inequalities and enanglement» (2001). arXiv:quant-ph/​0107093.
arXiv: quant-ph / 0107093

[32] J. Lofberg. «Yalmip: μια εργαλειοθήκη για μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση στο matlab». Το 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation (IEEE Cat. No.04CH37508). Σελίδες 284–289. (2004).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CACSD.2004.1393890

[33] Sébastien Designolle, Roope Uola, Kimmo Luoma και Nicolas Brunner. «Συνοχή συνόλου: Ποσοτικοποίηση κβαντικής συνοχής ανεξάρτητα από τη βάση». Phys. Αναθ. Lett. 126, 220404 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.220404

[34] Rafael Wagner, Rui Soares Barbosa και Ernesto F. Galvão. «Ανισότητες που μαρτυρούν συνοχή, μη τοπικότητα και συμφραζόμενη» (2023). arXiv:2209.02670.
arXiv: 2209.02670

[35] Καζουόκι Αζούμα. «Σταθμισμένα αθροίσματα ορισμένων εξαρτημένων τυχαίων μεταβλητών». Tohoku Math. J. (2) 19, 357-367 (1967).
https://doi.org/​10.2748/​tmj/​1178243286

[36] Ρενάτο Ρένερ. «Ασφάλεια διανομής κβαντικού κλειδιού». International Journal of Quantum Information 6, 1–127 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749908003256

[37] Robert Konig, Renato Renner και Christian Schaffner. «Η λειτουργική έννοια της ελάχιστης και της μέγιστης εντροπίας». IEEE Transactions on Information Theory 55, 4337–4347 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2009.2025545

Αναφέρεται από

Αυτό το Βιβλίο δημοσιεύεται στο Quantum στο πλαίσιο του Creative Commons Attribution 4.0 Διεθνής (CC BY 4.0) άδεια. Τα πνευματικά δικαιώματα παραμένουν στους κατόχους των πρωτότυπων δικαιωμάτων πνευματικής ιδιοκτησίας όπως οι δημιουργοί ή τα ιδρύματά τους

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Quantum Journal