Un joc de coerență și aplicații pentru distribuția cheilor cuantice semi-independentă de dispozitiv

Un joc de coerență și aplicații pentru distribuția cheilor cuantice semi-independentă de dispozitiv

Marca temporală: 22 august 2023 10:22
Nodul sursă: 2839411

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

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

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Distribuția cheilor cuantice semi-independentă de dispozitiv își propune să atingă un echilibru între cel mai înalt nivel de securitate, independența dispozitivului și fezabilitatea experimentală. Distribuția cheilor semi-cuantice prezintă o abordare intrigantă care urmărește să minimizeze dependența utilizatorilor de operațiunile cuantice, menținând în același timp securitatea, permițând astfel dezvoltarea de protocoale cuantice simplificate și tolerante la erori hardware. În această lucrare, introducem un protocol de distribuție a cheilor semi-cuantice, bazat pe coerență, semi-independent de dispozitiv, construit pe o versiune robustă la zgomot a unui joc de egalitate de coerență care atestă diferite tipuri de coerență. Securitatea este dovedită în modelul de stocare cuantică delimitată, solicitând utilizatorilor să implementeze doar operațiuni clasice, în special detectii pe bază fixă.

Rezumat popular

Criptografia independentă de dispozitiv are scopul de a stabili securitatea cu presupuneri minime despre dispozitivele utilizate. Alternativ, scopul perspectivei semi-cuantice este de a reduce dependența utilizatorilor de operațiunile cuantice, asigurând în același timp securitatea bazată pe principiile mecanicii cuantice. În această lucrare, extindem un joc de egalitate de coerență la un scenariu rezistent la zgomot și demonstrăm capacitatea acestuia de a diferenția statistic între trei tipuri de resurse de coerență: stări necoerente, coerente separabile și stări coerente încurcate. Bazându-ne pe joc, prezentăm un protocol de distribuție a cheilor cuantice cu dovadă de concept. În acest protocol, Alice și Bob au nevoie doar să efectueze detectări de particule de încredere în laboratoarele lor, în timp ce componentele rămase ale protocolului sunt considerate neîncrezătoare. În consecință, acest protocol poate fi caracterizat cu precizie atât ca fiind semi-independent de dispozitiv, cât și semi-cuantic, prezentând compatibilitatea ambelor cadre.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] MS Sharbaf. „Criptografia cuantică: o tehnologie emergentă în securitatea rețelei”. 2011 IEEE International Conference on Technologies for Homeland Security (HST) Paginile 13–19 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1109/​THS.2011.6107841

[2] Peter W. Shor. „Algoritmi în timp polinomial pentru factorizarea prime și logaritmi discreti pe un computer cuantic”. SIAM J. Comput., 26(5), 1484–1509 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0097539795293172

[3] Charles H. Bennett şi Gilles Brassard. „Criptografia cuantică: distribuția cheilor publice și aruncarea de monede”. Teoretică Informatică 560, 7–11 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.tcs.2014.05.025

[4] Dominic Mayers și Andrew Yao. „Criptografia cuantică cu aparate imperfecte”. Proceedings of the 39th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (1998).

[5] Dominic Mayers și Andrew Yao. „Aparatură cuantică de autotestare”. Informații cuantice. Calculator. 4, 273–286 (2004).

[6] Umesh Vazirani și Thomas Vidick. „Distribuție complet independentă de dispozitiv de cheie cuantică”. Physical Review Letters 113 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.113.140501

[7] Rotem Arnon-Friedman, Frédéric Dupuis, Omar Fawzi, Renato Renner și Thomas Vidick. „Criptografie cuantică practică independentă de dispozitiv prin acumularea de entropie”. 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 și colab. „Numere aleatoare certificate prin teorema lui Bell”. Nature 464, 1021–1024 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09008

[9] Antonio Acín, Serge Massar și Stefano Pironio. „Alatoriu versus nonlocalitate și încurcare”. Fiz. Rev. Lett. 108, 100402 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.100402

[10] Nati Aharon, André Chailloux, Iordanis Kerenidis, Serge Massar, Stefano Pironio și Jonathan Silman. „Răsturnarea slabă a monedelor într-un cadru independent de dispozitiv”. În Lucrări selectate revizuite ale celei de-a 6-a Conferințe privind teoria calculului cuantic, comunicării și criptografiei – Volumul 6745, pg.1–12. TQC 2011 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-54429-3_1

[11] Ricardo Faleiro și Manuel Goulão. „Autorizare cuantică independentă de dispozitiv, bazată pe jocul Clauser-Horne-Shimony-Holt”. Fiz. Rev. 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 și J.-D. Bancal. „Distribuție experimentală a cheilor cuantice certificată de teorema lui 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 și Harald Weinfurter. „Un sistem de distribuție a cheilor cuantice independent de dispozitiv pentru utilizatori la distanță”. 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 și Jian-Wei Pan. „Către o demonstrație fotonică a distribuției cheilor cuantice independente de dispozitiv”. Fiz. Rev. Lett. 129, 050502 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.050502

[15] Marcin Pawłowski și Nicolas Brunner. „Securitatea semi-independentă de dispozitiv a distribuției unidirecționale a cheilor cuantice”. Fiz. Rev. A 84, 010302 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.010302

[16] Anubhav Chaturvedi, Maharshi Ray, Ryszard Veynar și Marcin Pawłowski. „Despre securitatea protocoalelor QKD semi-independente de dispozitiv”. Quantum Information Processing 17, 131 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s11128-018-1892-z

[17] Armin Tavakoli, Jędrzej Kaniewski, Tamás Vértesi, Denis Rosset și Nicolas Brunner. „Autotestarea stărilor cuantice și măsurătorile în scenariul de pregătire și măsurare”. Fiz. Rev. A 98, 062307 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062307

[18] Armin Tavakoli. „Certificarea semi-independentă de dispozitiv a stării cuantice independente și a dispozitivelor de măsurare”. Fiz. Rev. Lett. 125, 150503 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.150503

[19] Thomas Van Himbeeck, Erik Woodhead, Nicolas J. Cerf, Raúl García-Patrón și Stefano Pironio. „Cadru semi-independent de dispozitiv bazat pe ipoteze fizice naturale”. Quantum 1, 33 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-11-18-33

[20] Armin Tavakoli, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Erik Woodhead și Stefano Pironio. „Corelații restricționate din punct de vedere informațional: un cadru general pentru sistemele clasice și cuantice”. Quantum 6, 620 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-01-05-620

[21] Armin Tavakoli, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Erik Woodhead și Stefano Pironio. „Corelații restricționate din punct de vedere informațional: un cadru general pentru sistemele clasice și cuantice”. Quantum 6, 620 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-01-05-620

[22] Weixu Shi, Yu Cai, Jonatan Bohr Brask, Hugo Zbinden și Nicolas Brunner. „Caracterizarea semi-independentă de dispozitiv a măsurătorilor cuantice sub o ipoteză de suprapunere minimă”. Fiz. Rev. A 100, 042108 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.042108

[23] Hasan Iqbal și Walter O. Krawec. „Criptografia semi-cuantică”. Quantum Information Processing 19, 97 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11128-020-2595-9

[24] Michel Boyer, Ran Gelles, Dan Kenigsberg și Tal Mor. „Distribuția cheii semiquantum”. Fiz. 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 și Philip Walther. „Distribuția experimentală a cheilor semi-cuantice cu utilizatorii clasici”. Quantum 6, 819 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-22-819

[26] Flavio Del Santo și Borivoje Dakić. „Egalitatea de coerență și comunicarea într-o suprapunere cuantică”. Scrisori de revizuire fizică 124 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.124.190501

[27] Lieven Vandenberghe și Stephen Boyd. „Programare semidefinită”. SIAM Rev. 38, 49–95 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 1038003

[28] Károly F. Pál și Tamás Vértesi. „Eficiența spațiilor hilbert de dimensiuni superioare pentru încălcarea inegalităților clopot”. Fiz. Rev. A 77, 042105 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.042105

[29] Matthew McKague, Michele Mosca și Nicolas Gisin. „Simularea sistemelor cuantice folosind spații hilbert reale”. Fiz. Rev. Lett. 102, 020505 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.020505

[30] KC Toh, MJ Todd și RH Tütüncü. „Sdpt3 — un pachet software Matlab pentru programare semidefinită, versiunea 1.3”. Optimization Methods and Software 11, 545–581 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 10556789908805762

[31] Reinhard F. Werner și Michael M. Wolf. „Bell inegalities and entanglement” (2001). arXiv:quant-ph/​0107093.
arXiv: Quant-ph / 0107093

[32] J. Lofberg. „Yalmip: o cutie de instrumente pentru modelare și optimizare în Matlab”. În 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation (IEEE Cat. No.04CH37508). Paginile 284–289. (2004).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CACSD.2004.1393890

[33] Sébastien Designolle, Roope Uola, Kimmo Luoma și Nicolas Brunner. „Coerența setului: cuantificarea independentă de bază a coerenței cuantice”. Fiz. Rev. Lett. 126, 220404 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.220404

[34] Rafael Wagner, Rui Soares Barbosa și Ernesto F. Galvão. „Inegalități care sunt martorii de coerență, nonlocalitate și contextualitate” (2023). arXiv:2209.02670.
arXiv: 2209.02670

[35] Kazuoki Azuma. „Sume ponderate ale anumitor variabile aleatoare dependente”. Matematică Tohoku. J. (2) 19, 357–367 (1967).
https://​/​doi.org/​10.2748/​tmj/​1178243286

[36] Renato Renner. „Securitatea distribuției cheilor cuantice”. International Journal of Quantum Information 6, 1–127 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749908003256

[37] Robert Konig, Renato Renner și Christian Schaffner. „Semnificația operațională a min- și max-entropiei”. IEEE Transactions on Information Theory 55, 4337–4347 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2009.2025545

Citat de

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic