Ett koherensvittnespel och applikationer för semi-enhetsoberoende kvantnyckeldistribution

Ett koherensvittnespel och applikationer för semi-enhetsoberoende kvantnyckeldistribution

Tidsstämpel: 22 augusti 2023 10:22
Källnod: 2839411

Mário Silva1, Ricardo Faleiro2, Paulo Mateus2,3, och Emmanuel Zambrini Cruzeiro2

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

Hitta det här uppsatsen intressant eller vill diskutera? Scite eller lämna en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Semi-enhetsoberoende kvantnyckeldistribution syftar till att uppnå en balans mellan högsta nivå av säkerhet, enhetsoberoende och experimentell genomförbarhet. Semi-kvantnyckeldistribution presenterar ett spännande tillvägagångssätt som strävar efter att minimera användarnas beroende av kvantoperationer samtidigt som säkerheten bibehålls, vilket möjliggör utvecklingen av förenklade och hårdvarufeltoleranta kvantprotokoll. I detta arbete introducerar vi ett koherensbaserat, semi-enhetsoberoende, semi-quantum key distribution protokoll byggt på en brusrobust version av ett koherensjämlikhetspel som bevittnar olika typer av koherens. Säkerheten är bevisad i modellen med begränsat kvantlagring, vilket kräver att användarna endast implementerar klassiska operationer, särskilt detektering på fast basis.

Populär sammanfattning

Enhetsoberoende kryptografi syftar till att skapa säkerhet med minimala antaganden om de enheter som används. Alternativt är målet med semikvantperspektivet att minska användarnas beroende av kvantoperationer samtidigt som säkerheten baserad på kvantmekanikens principer garanteras. I det här arbetet utökar vi ett koherensjämlikhetsspel till ett bullerrobust scenario och visar dess förmåga att statistiskt skilja mellan tre typer av koherentresurser: icke-koherenta, separerbara koherenta och intrasslade koherenta tillstånd. Med utgångspunkt från spelet presenterar vi ett proof-of-concept kvantnyckeldistributionsprotokoll. I det här protokollet behöver Alice och Bob bara utföra betrodda partikeldetektioner i sina labb, medan de återstående komponenterna i protokollet anses vara otillförlitliga. Följaktligen kan detta protokoll exakt karakteriseras som både semi-enhetsoberoende och semi-quantum, vilket visar upp kompatibiliteten för båda ramarna.

► BibTeX-data

► Referenser

[1] MS Sharbaf. "Kvantkryptografi: En framväxande teknik inom nätverkssäkerhet". 2011 IEEE International Conference on Technologies for Homeland Security (HST) Sidorna 13–19 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1109/​THS.2011.6107841

[2] Peter W. Shor. "Polynomial-tidsalgoritmer för primtalsfaktorisering och diskreta logaritmer på en kvantdator". SIAM J. Comput., 26(5), 1484-1509 (1997).
https: / / doi.org/ 10.1137 / S0097539795293172

[3] Charles H. Bennett och Gilles Brassard. "Kvantkryptografi: Distribution av offentlig nyckel och myntkastning". Teoretisk datavetenskap 560, 7–11 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.tcs.2014.05.025

[4] Dominic Mayers och Andrew Yao. "Kvantkryptografi med ofullkomlig apparat". Proceedings of the 39th Annual Symposium on Foundations of Computer Science (1998).

[5] Dominic Mayers och Andrew Yao. "Självtestande kvantapparat". Kvantinformation. Comput. 4, 273–286 (2004).

[6] Umesh Vazirani och Thomas Vidick. "Helt enhetsoberoende kvantnyckeldistribution". Physical Review Letters 113 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.113.140501

[7] Rotem Arnon-Friedman, Frédéric Dupuis, Omar Fawzi, Renato Renner och Thomas Vidick. "Praktisk enhetsoberoende kvantkryptografi via entropiackumulering". 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, och et al. "Slumptal certifierade av klockans teorem". Nature 464, 1021–1024 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09008

[9] Antonio Acín, Serge Massar och Stefano Pironio. "Slumpmässighet kontra icke-lokalitet och förveckling". Phys. Rev. Lett. 108, 100402 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.100402

[10] Nati Aharon, André Chailloux, Iordanis Kerenidis, Serge Massar, Stefano Pironio och Jonathan Silman. "Svag myntslagning i en enhetsoberoende inställning". I Revised Selected Papers of the 6th Conference on Theory of Quantum Computation, Communication and Cryptography – Volym 6745, sid.1–12. TQC 2011 (2011).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-642-54429-3_1

[11] Ricardo Faleiro och Manuel Goulão. "Enhetsoberoende kvantbehörighet baserad på Clauser-Horne-Shimony-Holt-spelet". Phys. 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 och J.-D. Bancal. "Experimentell kvantnyckelfördelning certifierad av bell's theorem". 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 och Harald Weinfurter. "Ett enhetsoberoende kvantnyckeldistributionssystem för fjärranvändare". 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 och Jian-Wei Pan. "Mot en fotonisk demonstration av enhetsoberoende kvantnyckeldistribution". Phys. Rev. Lett. 129, 050502 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.050502

[15] Marcin Pawłowski och Nicolas Brunner. "Halvenhetsoberoende säkerhet för enkelriktad kvantnyckeldistribution". Phys. Rev. A 84, 010302 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.84.010302

[16] Anubhav Chaturvedi, Maharshi Ray, Ryszard Veynar och Marcin Pawłowski. "Om säkerheten för semi-enhetsoberoende QKD-protokoll". Quantum Information Processing 17, 131 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1007 / s11128-018-1892-z

[17] Armin Tavakoli, Jędrzej Kaniewski, Tamás Vértesi, Denis Rosset och Nicolas Brunner. "Självtestande kvanttillstånd och mätningar i förbered-och-mät-scenariot". Phys. Rev. A 98, 062307 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.062307

[18] Armin Tavakoli. "Halvenhetsoberoende certifiering av oberoende kvanttillstånds- och mätanordningar". Phys. 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 och Stefano Pironio. "Halvenhetsoberoende ramverk baserat på naturliga fysiska antaganden". Quantum 1, 33 (2017).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2017-11-18-33

[20] Armin Tavakoli, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Erik Woodhead och Stefano Pironio. "Informationsmässigt begränsade korrelationer: ett allmänt ramverk för klassiska och kvantsystem". Quantum 6, 620 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-01-05-620

[21] Armin Tavakoli, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Erik Woodhead och Stefano Pironio. "Informationsmässigt begränsade korrelationer: ett allmänt ramverk för klassiska och kvantsystem". Quantum 6, 620 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-01-05-620

[22] Weixu Shi, Yu Cai, Jonatan Bohr Brask, Hugo Zbinden och Nicolas Brunner. "Halvenhetsoberoende karakterisering av kvantmätningar under ett antagande om minsta överlappning". Phys. Rev. A 100, 042108 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.042108

[23] Hasan Iqbal och Walter O. Krawec. "Semi-kvantkryptografi". Quantum Information Processing 19, 97 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s11128-020-2595-9

[24] Michel Boyer, Ran Gelles, Dan Kenigsberg och Tal Mor. "Semikvantnyckelfördelning". Phys. 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 och Philip Walther. "Experimentell semi-kvantnyckeldistribution med klassiska användare". Quantum 6, 819 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-09-22-819

[26] Flavio Del Santo och Borivoje Dakić. "Koherens jämlikhet och kommunikation i en kvantöverlagring". Physical Review Letters 124 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.124.190501

[27] Lieven Vandenberghe och Stephen Boyd. "Halvbestämd programmering". SIAM Rev. 38, 49–95 (1996).
https: / / doi.org/ 10.1137 / 1038003

[28] Károly F. Pál och Tamás Vértesi. "Effektivitet av högre dimensionella hilbertutrymmen för kränkning av klockojämlikheter". Phys. Rev. A 77, 042105 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.77.042105

[29] Matthew McKague, Michele Mosca och Nicolas Gisin. "Simulera kvantsystem med riktiga hilbertutrymmen". Phys. Rev. Lett. 102, 020505 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.102.020505

[30] KC Toh, MJ Todd och RH Tütüncü. "Sdpt3 — ett matlab-programpaket för semidefinite programmering, version 1.3". Optimization Methods and Software 11, 545–581 (1999).
https: / / doi.org/ 10.1080 / 10556789908805762

[31] Reinhard F. Werner och Michael M. Wolf. "Block ojämlikheter och entanglement" (2001). arXiv:quant-ph/​0107093.
arXiv: kvant-ph / 0107093

[32] J. Lofberg. "Yalmip: en verktygslåda för modellering och optimering i matlab". 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation (IEEE Cat. No.04CH37508). Sidorna 284–289. (2004).
https: / / doi.org/ 10.1109 / CACSD.2004.1393890

[33] Sébastien Designolle, Roope Uola, Kimmo Luoma och Nicolas Brunner. "Set koherens: Bas-oberoende kvantifiering av kvantkoherens". Phys. Rev. Lett. 126, 220404 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.220404

[34] Rafael Wagner, Rui Soares Barbosa och Ernesto F. Galvão. "Ojämlikheter som vittnar om koherens, icke-lokalitet och kontextualitet" (2023). arXiv:2209.02670.
arXiv: 2209.02670

[35] Kazuoki Azuma. "Viktade summor av vissa beroende stokastiska variabler". Tohoku Math. J. (2) 19, 357-367 (1967).
https://​/​doi.org/​10.2748/​tmj/​1178243286

[36] Renato Renner. "Säkerhet för distribution av kvantnyckel". International Journal of Quantum Information 6, 1–127 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749908003256

[37] Robert Konig, Renato Renner och Christian Schaffner. "Den operativa betydelsen av min- och max-entropi". IEEE Transactions on Information Theory 55, 4337–4347 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1109 / tit.2009.2025545

Citerad av

Detta papper publiceras i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) licens. Upphovsrätten kvarstår med de ursprungliga upphovsrättsinnehavarna som författarna eller deras institutioner.

Tidsstämpel:

Mer från Quantum Journal