Een coherentie-getuige-spel en toepassingen voor semi-apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie

Een coherentie-getuige-spel en toepassingen voor semi-apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie

Tijdstempel: 22 augustus 2023 10:22 uur
Bronknooppunt: 2839411

Mario Silva1, Ricardo Faleiro2, Paulo Mateus2,3en Emmanuel Zambrini Cruzeiro2

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

Vind je dit artikel interessant of wil je het bespreken? Scite of laat een reactie achter op SciRate.

Abstract

Semi-apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie streeft naar een evenwicht tussen het hoogste beveiligingsniveau, apparaatonafhankelijkheid en experimentele haalbaarheid. Semi-kwantumsleuteldistributie biedt een intrigerende aanpak die tot doel heeft de afhankelijkheid van gebruikers van kwantumoperaties te minimaliseren en tegelijkertijd de veiligheid te behouden, waardoor de ontwikkeling van vereenvoudigde en hardwarefouttolerante kwantumprotocollen mogelijk wordt gemaakt. In dit werk introduceren we een op coherentie gebaseerd, semi-apparaatonafhankelijk, semi-kwantumsleuteldistributieprotocol, gebouwd op een ruis-robuuste versie van een coherentie-gelijkheidsspel dat getuige is van verschillende soorten coherentie. De beveiliging is bewezen in het begrensde kwantumopslagmodel, waarbij gebruikers alleen klassieke bewerkingen hoeven te implementeren, met name detecties op vaste basis.

Populaire samenvatting

Apparaatonafhankelijke cryptografie heeft tot doel beveiliging tot stand te brengen met minimale aannames over de gebruikte apparaten. Als alternatief is het doel van het semi-kwantumperspectief om de afhankelijkheid van gebruikers van kwantumoperaties te verminderen en tegelijkertijd de veiligheid te garanderen op basis van de principes van de kwantummechanica. In dit werk breiden we een coherentie-gelijkheidsspel uit naar een ruis-robuust scenario en demonstreren we het vermogen ervan om statistisch onderscheid te maken tussen drie soorten coherentiebronnen: niet-coherente, scheidbare coherente en verstrengelde coherente staten. Voortbouwend op het spel presenteren we een proof-of-concept kwantumsleuteldistributieprotocol. In dit protocol hoeven Alice en Bob alleen vertrouwde deeltjesdetecties uit te voeren in hun laboratoria, terwijl de overige componenten van het protocol als niet-vertrouwd worden beschouwd. Bijgevolg kan dit protocol nauwkeurig worden gekarakteriseerd als zowel semi-apparaatonafhankelijk als semi-kwantum, wat de compatibiliteit van beide raamwerken laat zien.

► BibTeX-gegevens

► Referenties

[1] MS Sharbaf. "Kwantumcryptografie: een opkomende technologie in netwerkbeveiliging". 2011 IEEE Internationale Conferentie over Technologieën voor Binnenlandse Veiligheid (HST) Pagina's 13–19 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1109/​THS.2011.6107841

[2] Peter W. Shor. "Polynomiale tijdalgoritmen voor priemfactorisatie en discrete logaritmen op een kwantumcomputer". SIAM J. Comput., 26(5), 1484–1509 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0097539795293172

[3] Charles H. Bennett en Gilles Brassard. "Kwantumcryptografie: distributie van openbare sleutels en het opgooien van munten". Theoretische informatica 560, 7–11 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.tcs.2014.05.025

[4] Dominic Mayers en Andrew Yao. "Kwantumcryptografie met onvolmaakte apparatuur". Proceedings van het 39e jaarlijkse symposium over de grondslagen van de computerwetenschappen (1998).

[5] Dominic Mayers en Andrew Yao. "Zelftestende kwantumapparatuur". Kwantuminformatie. Computer. 4, 273-286 (2004).

[6] Umesh Vazirani en Thomas Vidick. "Volledig apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie". Fysieke beoordelingsbrieven 113 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.113.140501

[7] Rotem Arnon-Friedman, Frédéric Dupuis, Omar Fawzi, Renato Renner en Thomas Vidick. "Praktische apparaatonafhankelijke kwantumcryptografie via entropie-accumulatie". Natuurcommunicatie 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 en et al. "Willekeurige getallen gecertificeerd door de stelling van Bell". Natuur 464, 1021–1024 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09008

[9] Antonio Acín, Serge Massar en Stefano Pironio. “Willekeur versus non-lokaliteit en verstrengeling”. Fys. Ds. Lett. 108, 100402 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.100402

[10] Nati Aharon, André Chailloux, Iordanis Kerenidis, Serge Massar, Stefano Pironio en Jonathan Silman. "Zwakke muntopgooi in een apparaatonafhankelijke instelling". In herziene geselecteerde artikelen van de 6e conferentie over de theorie van kwantumcomputers, communicatie en cryptografie - deel 6745, pag.1–12. TQC 2011 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-54429-3_1

[11] Ricardo Faleiro en Manuel Goulão. "Apparaatonafhankelijke kwantumautorisatie gebaseerd op het Clauser-Horne-Shimony-Holt-spel". Fys. A 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 en J.-D. Bancaal. "Experimentele kwantumsleutelverdeling gecertificeerd door de stelling van Bell". Natuur 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 en Harald Weinfurter. "Een apparaatonafhankelijk kwantumsleuteldistributiesysteem voor gebruikers op afstand". Natuur 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 en Jian-Wei Pan. “Op weg naar een fotonische demonstratie van apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie”. Fys. Ds. Lett. 129, 050502 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.050502

[15] Marcin Pawłowski en Nicolas Brunner. "Semi-apparaat-onafhankelijke beveiliging van eenrichtingsdistributie van kwantumsleutels". Fys. Rev.A 84, 010302 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.010302

[16] Anubhav Chaturvedi, Maharshi Ray, Ryszard Veynar en Marcin Pawłowski. "Over de beveiliging van semi-apparaatonafhankelijke QKD-protocollen". Kwantuminformatieverwerking 17, 131 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s11128-018-1892-z

[17] Armin Tavakoli, Jędrzej Kaniewski, Tamás Vértesi, Denis Rosset en Nicolas Brunner. "Zelftestende kwantumtoestanden en metingen in het voorbereidings-en-meetscenario". Fys. Rev.A 98, 062307 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062307

[18] Armin Tavakoli. "Semi-apparaat-onafhankelijke certificering van onafhankelijke kwantumtoestanden en meetapparatuur". Fys. Ds. Lett. 125, 150503 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150503

[19] Thomas Van Himbeeck, Erik Woodhead, Nicolas J. Cerf, Raúl García-Patrón en Stefano Pironio. "Semi-apparaat-onafhankelijk raamwerk gebaseerd op natuurlijke fysieke aannames". Kwantum 1, 33 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-11-18-33

[20] Armin Tavakoli, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Erik Woodhead en Stefano Pironio. "Informationeel beperkte correlaties: een algemeen raamwerk voor klassieke en kwantumsystemen". Kwantum 6, 620 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-01-05-620

[21] Armin Tavakoli, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Erik Woodhead en Stefano Pironio. "Informationeel beperkte correlaties: een algemeen raamwerk voor klassieke en kwantumsystemen". Kwantum 6, 620 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-01-05-620

[22] Weixu Shi, Yu Cai, Jonatan Bohr Brask, Hugo Zbinden en Nicolas Brunner. "Semi-apparaat-onafhankelijke karakterisering van kwantummetingen onder een minimale overlap-aanname". Fys. A 100, 042108 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.042108

[23] Hasan Iqbal en Walter O. Krawec. "Semi-kwantumcryptografie". Kwantuminformatieverwerking 19, 97 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11128-020-2595-9

[24] Michel Boyer, Ran Gelles, Dan Kenigsberg en Tal Mor. "Semiquantum sleutelverdeling". Fys. Rev.A 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 en Philip Walther. "Experimentele semi-kwantumsleuteldistributie met klassieke gebruikers". Kwantum 6, 819 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-22-819

[26] Flavio Del Santo en Borivoje Dakić. "Coherentie-gelijkheid en communicatie in een kwantumsuperpositie". Fysieke beoordelingsbrieven 124 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.124.190501

[27] Lieven Vandenberghe en Stephen Boyd. “Halfdefiniete programmering”. SIAM Rev. 38, 49–95 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 1038003

[28] Károly F. Pál en Tamás Vértesi. "Efficiëntie van hoger-dimensionale Hilbertruimten voor de schending van bel-ongelijkheden". Fys. Rev.A 77, 042105 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.042105

[29] Matthew McKague, Michele Mosca en Nicolas Gisin. "Kwantumsystemen simuleren met behulp van echte Hilbertruimten". Fys. Ds. Lett. 102, 020505 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.020505

[30] KC Toh, MJ Todd en RH Tütüncü. "Sdpt3 - een matlab-softwarepakket voor semidefiniet programmeren, versie 1.3". Optimalisatiemethoden en software 11, 545–581 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 10556789908805762

[31] Reinhard F. Werner en Michael M. Wolf. "Bell-ongelijkheid en verstrengeling" (2001). arXiv:quant-ph/​0107093.
arXiv: quant-ph / 0107093

[32] J. Lofberg. "Yalmip: een toolbox voor modellering en optimalisatie in Matlab". In 2004 IEEE Internationale Conferentie over Robotica en Automatisering (IEEE Cat. No.04CH37508). Pagina's 284–289. (2004).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CACSD.2004.1393890

[33] Sébastien Designolle, Roope Uola, Kimmo Luoma en Nicolas Brunner. "Setcoherentie: basisonafhankelijke kwantificering van kwantumcoherentie". Fys. Ds. Lett. 126, 220404 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.220404

[34] Rafael Wagner, Rui Soares Barbosa en Ernesto F. Galvão. “Ongelijkheid die getuige is van coherentie, non-lokaliteit en contextualiteit” (2023). arXiv:2209.02670.
arXiv: 2209.02670

[35] Kazuoki Azuma. "Gewogen sommen van bepaalde afhankelijke willekeurige variabelen". Tohoku-wiskunde. J. (2) 19, 357-367 (1967).
https://​/​doi.org/​10.2748/​tmj/​1178243286

[36] Renato Renner. "Beveiliging van de distributie van kwantumsleutels". International Journal of Quantum Information 6, 1–127 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749908003256

[37] Robert Konig, Renato Renner en Christian Schaffner. "De operationele betekenis van min- en max-entropie". IEEE-transacties over informatietheorie 55, 4337–4347 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2009.2025545

Geciteerd door

Dit artikel is gepubliceerd in Quantum onder de Creative Commons Naamsvermelding 4.0 Internationaal (CC BY 4.0) licentie. Het auteursrecht blijft berusten bij de oorspronkelijke houders van auteursrechten, zoals de auteurs of hun instellingen.

Tijdstempel:

Meer van Quantum Journaal