Верхні межі ключових ставок у апаратно-незалежному квантовому розподілі ключів на основі атак з опуклою комбінацією

Верхні межі ключових ставок у апаратно-незалежному квантовому розподілі ключів на основі атак з опуклою комбінацією

Мітка часу: 6 грудня 2023 р., 9:23
Вихідний вузол: 2998192

абстрактний

Приладно-незалежна структура є найбільш прагматичним підходом до квантових протоколів, який не покладає жодної довіри на їх реалізацію. Це вимагає, щоб усі вимоги, наприклад, щодо безпеки, були зроблені на рівні кінцевих класичних даних у руках кінцевих користувачів. Це створює серйозну проблему для визначення досяжних ключових ставок у $textit{девайсно-незалежному квантовому розподілі ключів}$ (DIQKD), але також відкриває двері для розгляду атак підслуховування, які виникають через можливість того, що певні дані були просто згенеровані зловмисна третя сторона. У цій роботі ми досліджуємо цей шлях і представляємо атаку $textit{convex-combination}$ як ефективну, просту у використанні техніку для верхньої межі ключових ставок DIQKD. Це дозволяє перевірити точність нижніх меж ключових ставок для найсучасніших протоколів, незалежно від того, чи передбачається односторонній чи двосторонній зв’язок. Зокрема, ми демонструємо з його допомогою, що поточні прогнозовані обмеження на стійкість протоколів DIQKD до експериментальних недосконалостей, таких як кінцева видимість або ефективність виявлення, вже дуже близькі до кінцевих допустимих порогів.

Популярне резюме

Приладно-незалежна структура є найбільш прагматичним підходом до квантової криптографії, який не довіряє її реалізації. В принципі, це дозволяє кінцевим користувачам безпечно поширювати криптографічні ключі, навіть якщо постачальник, який надає пристрої, поводиться зловмисно. Однак ціною цього є дуже суворі вимоги до якості спостережуваних даних, які потім повинні демонструвати кореляції, які неможливо пояснити за допомогою класичної фізики. Поки що було невизначено, чи не можна пом’якшити ці вимогливі умови лише шляхом покращення доказів безпеки. Завдяки нашій роботі ми тепер знаємо, що це не так — існує проста атака, яку має досліджувати потенційний переслухувач, і її можна майже завжди успішно здійснити, якщо дійсно не виконуються суворі вимоги до якості даних.

► Дані BibTeX

► Список літератури

[1] Антоніо Асін, Ніколас Бруннер, Ніколас Гісін, Серж Массар, Стефано Піроніо та Валеріо Скарані. «Апаратно-незалежний захист квантової криптографії від колективних атак». фіз. Преподобний Летт. 98, 230501 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.230501

[2] Стефано Піроніо, Антоніо Асін, Ніколас Бруннер, Ніколас Гісін, Серж Массар і Валеріо Скарані. «Апаратно-незалежний квантовий розподіл ключів, захищений від колективних атак». New J. Phys. 11, 045021 (2009).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​11/​4/​045021

[3] Клод Е. Шеннон. “Комунікаційна теорія систем секретності”. Технічний журнал Bell System 28, 656–715 (1949).
https: / / doi.org/ 10.1002 / j.1538-7305.1949.tb00928.x

[4] Ніколас Бруннер, Даніель Кавальканті, Стефано Піроніо, Валеріо Скарані та Стефані Венер. “Нелокальність Белла”. Rev. Mod. фіз. 86, 419–478 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.86.419

[5] Джонатан Барретт, Люсьєн Харді та Адріан Кент. «Без сигналізації та квантового розподілу ключів». фіз. Преподобний Летт. 95, 010503 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.95.010503

[6] Антоніо Асін, Ніколя Гісін і Луїс Масанес. «Від теореми Белла до забезпечення квантового розподілу ключів». фіз. Преподобний Летт. 97, 120405 (2006).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.97.120405

[7] Антоніо Асін, Серж Массар і Стефано Піроніо. «Ефективний квантовий розподіл ключів, захищений від перехоплювачів без сигналів». New J. Phys. 8, 126–126 (2006).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​8/​8/​126

[8] Ї Чжао, Чі-Хан Фред Фунг, Бінг Ці, Крістін Чен і Хой-Квонг Ло. «Квантовий злом: експериментальна демонстрація атаки зі зсувом часу проти практичних систем квантового розподілу ключів». фіз. Rev. A 78, 042333 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.78.042333

[9] Фейху Сюй, Бін Ці та Хой-Квонг Ло. «Експериментальна демонстрація атаки фазового перетворення в практичній системі квантового розподілу ключів». New J. Phys. 12, 113026 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​11/​113026

[10] Ларс Лідерсен, Карлос Віхерс, Крістоффер Віттманн, Домінік Ельзер, Йоганнес Скаар і Вадим Макаров. «Злом комерційних систем квантової криптографії за допомогою індивідуального яскравого освітлення». Нац. Фотоніка 4, 686–689 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2010.214

[11] Ілья Герхардт, Цинь Лю, Антіа Ламас-Лінарес, Йоханнес Скаар, Крістіан Курціфер і Вадим Макаров. «Полнопольна реалізація ідеального перехоплювача в системі квантової криптографії». Нац. Комун. 2, 349 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1348

[12] Валеріо Скарані, Хелле Бехманн-Пасквінуччі, Ніколас Дж. Серф, Мілослав Душек, Норберт Люткенгаус і Момчил Пеєв. «Безпека практичного квантового розподілу ключів». Rev. Mod. фіз. 81, 1301–1350 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.81.1301

[13] Ротем Арнон-Фрідман, Фредерік Дюпюї, Омар Фаузі, Ренато Реннер і Томас Відік. «Практична апаратно-незалежна квантова криптографія за допомогою накопичення ентропії». Нац. Комун. 9, 459 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-017-02307-4

[14] Глаусія Мурта, Сюзанна Б. ван Дам, Жеремі Рібейро, Рональд Хансон і Стефані Венер. «На шляху до реалізації апаратно-незалежного квантового розподілу ключів». Квантова наука. технол. 4, 035011 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​ab2819

[15] Рене Швоннек, Кун Тонг Го, Ігнаціус В. Прімаатмая, Ернест Ю.-З. Тан, Рамона Вольф, Валеріо Скарані та Чарльз С.-В. Лім. «Апаратно-незалежний квантовий розподіл ключів на базі випадкового ключа». Nat Commun 12, 2880 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-021-23147-3

[16] Ігор Деветак та Андреас Вінтер. «Дистиляція секретного ключа та заплутаності з квантових станів». Proc. R. Soc. Лонд. A 461, 207–235 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1098 / rspa.2004.1372

[17] Ренато Реннер, Ніколя Гісін і Барбара Краус. «Інформаційно-теоретичне підтвердження безпеки для протоколів квантового розподілу ключів». фіз. Rev. A 72, 012332 (2005).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.012332

[18] Ротем Арнон-Фрідман. «Апаратно-незалежна квантова обробка інформації». Тези Springer (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-030-60231-4

[19] Яньбао Чжан, Хунхао Фу та Емануель Нілл. «Ефективна сертифікація випадковості шляхом оцінки квантової ймовірності». фіз. Дослідження 2, 013016 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.013016

[20] Джон Ф. Клаузер, Майкл А. Хорн, Ебнер Шимоні та Річард А. Холт. «Пропонований експеримент для перевірки локальних теорій прихованих змінних». фіз. Преподобний Летт. 23, 880–884 (1969).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.23.880

[21] Антоніо Асін, Серж Массар і Стефано Піроніо. «Випадковість проти нелокальності та заплутаності». фіз. Преподобний Летт. 108, 100402 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.100402

[22] Ерік Вудхед, Антоніо Асін і Стефано Піроніо. “Приладно-незалежний квантовий розподіл ключів з асиметричними нерівностями CHSH”. Квант 5, 443 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-26-443

[23] Мелвін Хо, Павло Секацький, Ернест Ю.-З. Тан, Ренато Реннер, Жан-Даніель Банкаль і Ніколя Сангуар. «Шумна попередня обробка полегшує фотонну реалізацію апаратно-незалежного квантового розподілу ключів». фіз. Преподобний Летт. 124, 230502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.230502

[24] Павло Секацький, Жан-Даніель Банкаль, Ксав’є Валькарсе, Ернест Ю.-З. Тан, Ренато Реннер і Ніколя Сангуар. “Приладно-незалежний розподіл квантових ключів із узагальнених нерівностей CHSH”. Квант 5, 444 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-04-26-444

[25] Роберт Кеніг, Ренато Реннер і Крістіан Шаффнер. «Операційне значення мінімальної та максимальної ентропії». IEEE Trans. Інф. Теорія 55, 4337–4347 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2009.2025545

[26] Луїс Масанес, Стефано Піроніо та Антоніо Асін. «Безпечне незалежне від пристроїв розподілення квантових ключів із причинно незалежними вимірювальними пристроями». Nat Commun 2, 238 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms1244

[27] Олмо Нієто-Сіллерас, Стефано Піроніо та Джонатан Сілман. «Використання повної статистики вимірювань для оптимальної незалежної від пристрою оцінки випадковості». New J. Phys. 16, 013035 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​16/​1/​013035

[28] Жан-Даніель Банкаль, Лана Шерідан і Валеріо Скарані. «Більше випадковості з тих же даних». New J. Phys. 16, 033011 (2014).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​16/​3/​033011

[29] Алехандро Маттар, Пол Скшипчик, Джонатан Бор Браск, Даніель Кавальканті та Антоніо Асін. «Оптимальна генерація випадковості з оптичних експериментів Белла». New J. Phys. 17, 022003 (2015).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​2/​022003

[30] Ян Колодинський, Алехандро Маттар, Пол Скшипчик, Ерік Вудхед, Даніель Кавальканті, Конрад Банашек та Антоніо Асін. «Приладно-незалежний квантовий розподіл ключів з однофотонними джерелами». Квант 4, 260 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2020-04-30-260

[31] Мігель Наваскуес, Стефано Піроніо та Антоніо Асін. “Обмеження множини квантових кореляцій”. фіз. Преподобний Летт. 98, 010401 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.98.010401

[32] Мігель Наваскуес, Стефано Піроніо та Антоніо Асін. “Збіжна ієрархія напіввизначених програм, що характеризують множину квантових кореляцій”. Новий журнал фізики 10, 073013 (2008).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​10/​7/​073013

[33] Фейху Сюй, Юй-Чже Чжан, Цян Чжан і Цзянь-Вей Пан. «Пристройно-незалежний квантовий розподіл ключів із випадковим поствибором». фіз. Преподобний Летт. 128, 110506 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.128.110506

[34] Ле Фук Тінь, Гонсало де ла Торре, Жан-Даніель Банкаль, Стефано Піроніо та Валеріо Скарані. «Випадковість у подіях після вибору». New Journal of Physics 18, 035007 (2016).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​18/​3/​035007

[35] Пітер Браун, Хамза Фавзі та Омар Фавзі. «Незалежні від пристрою нижні межі умовної ентропії фон Неймана» (2021). arXiv:2106.13692.
arXiv: 2106.13692

[36] Пітер Браун, Хамза Фавзі та Омар Фавзі. “Обчислення умовної ентропії для квантових кореляцій”. Nat Commun 12, 575 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-20018-1

[37] Ернест Ю.-З. Тан, Рене Швоннек, Кун Тонг Го, Ігнаціус Вільям Примаатмая та Чарльз С.-В. Лім. «Обчислення безпечних ключових ставок для квантової криптографії з ненадійними пристроями». npj Quantum Inf 7, 1–6 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00494-z

[38] Еніт Каур, Марк М. Уайлд та Андреас Вінтер. «Фундаментальні обмеження ключових ставок у апаратно-незалежному квантовому розподілі ключів». New J. Phys. 22, 023039 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ab6eaa

[39] Матіас Крістандль, Роберто Феррара та Кароль Городецький. «Верхні межі апаратно-незалежного квантового розподілу ключів». фіз. Преподобний Летт. 126, 160501 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.126.160501

[40] Ротем Арнон-Фрідман і Фелікс Ледіцький. «Верхні межі незалежних від пристроїв квантових показників розподілу ключів і переглянута гіпотеза Переса». IEEE Trans. Інф. Теорія 67, 6606–6618 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.2021.3086505

[41] Мате Фаркаш, Марія Баланзо-Хуандо, Кароль Лукановський, Ян Колодинський та Антоніо Асін. «Нелокальності Белла недостатньо для безпеки стандартних апаратно-незалежних протоколів розподілу квантових ключів». фіз. Преподобний Летт. 127, 050503 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.050503

[42] Ернест Ю.-З. Тан, Чарльз С.-В. Лім і Ренато Реннер. «Перевага дистиляції для апаратно-незалежного квантового розподілу ключів». фіз. Преподобний Летт. 124, 020502 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.124.020502

[43] Імре Чисар і Янош Кернер. «Канали мовлення з конфіденційними повідомленнями». IEEE Trans. Інф. Теорія 24, 339–348 (1978).
https://​/​doi.org/​10.1109/​TIT.1978.1055892

[44] Уелі Маурер. «Секретна ключова угода шляхом публічного обговорення із загальної інформації». IEEE Trans. Інф. Теорія 39, 733–742 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.256484

[45] Рудольф Альсведе та Імре Чисар. «Поширена випадковість в теорії інформації та криптографії. I. Обмін таємницями». IEEE Trans. Інф. Теорія 39, 1121–1132 (1993).
https: / / doi.org/ 10.1109 / 18.243431

[46] Еніт Каур, Кароль Городецький і Сіддхартха Дас. «Верхні межі незалежних від пристроїв квантових показників розподілу ключів у статичних і динамічних сценаріях». фіз. Rev. Appl. 18, 054033 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.18.054033

[47] Мікеле Масіні, Стефано Піроніо та Ерік Вудхед. «Простий і практичний аналіз безпеки DIQKD через співвідношення невизначеності типу BB84 і кореляційні обмеження Паулі». Квант 6, 843 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-10-20-843

[48] Філіп Х. Еберхард. «Фоновий рівень і ефективність лічильника, необхідні для експерименту Ейнштейна-Подольського-Розена без лазівок». фіз. Rev. A 47, R747–R750 (1993).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.47.R747

[49] Джуніор Р. Гонсалес-Урета, Ана Предоєвич і Адан Кабелло. «Апаратно-незалежний квантовий розподіл ключів на основі нерівностей Белла з більш ніж двома входами та двома виходами». фіз. Rev. A 103, 052436 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.103.052436

[50] Деніел Коллінз і Ніколя Гісін. «Відповідна двокубітна нерівність Белла, нееквівалентна нерівності CHSH». J. Phys. В: Математика. Gen. 37, 1775–1787 (2004).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​37/​5/​021

[51] Стефано Піроніо, Луїс Масанес, Ентоні Левер'є та Антоніо Асін. «Безпека незалежного від пристрою розподілу квантових ключів у моделі обмеженого квантового зберігання». фіз. X 3, 031007 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.3.031007

[52] Сюнфен Ма та Норберт Люткенгауз. «Покращена постобробка даних у квантовому розподілі ключів і застосування до порогових значень втрат у незалежному від пристрою QKD». Квантова інформація та обчислення 12, 203–214 (2012).
https://​/​doi.org/​10.26421/​qic12.3-4-2

[53] Ігнатій В. Прімаатмайя, Кун Тонг Гох, Ернест Ю.-З. Тан, Джон Т.-Ф. Khoo, Shouvik Ghorai та Charles C.-W. Лім. «Безпека апаратно-незалежних протоколів розподілу квантових ключів: огляд». Квант 7, 932 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2023-03-02-932

[54] Ернест Ю.-З. Тан, Павел Секацкі, Жан-Даніель Банкаль, Рене Швоннек, Ренато Реннер, Ніколя Сангуар і Чарльз С.-В. Лім. «Покращені протоколи DIQKD з аналізом кінцевого розміру». Квант 6, 880 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-12-22-880

[55] Уелі Маурер і Стефан Вольф. «Внутрішня умовна взаємна інформація та досконала секретність». У матеріалах Міжнародного симпозіуму IEEE з теорії інформації. IEEE (1997).
https://​/​doi.org/​10.1109/​isit.1997.613003

[56] Матіас Крістандль, Артур Екерт, Міхал Городецький, Павел Городецький, Джонатан Оппенгейм і Ренато Реннер. «Об’єднання класичної та квантової ключової дистиляції». В Vadhan, SP (ред.) Теорія криптографії. TCC 2007. Том 4392 конспектів лекцій з інформатики, сторінки 456–478. Берлін, Гейдельберг (2007). Спрингер.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-70936-7_25

[57] Марек Вінчевський, Тамоґна Дас та Кароль Городецький. «Обмеження апаратно-незалежного ключа захищають від зловмисника, який не передає сигнали, через стиснуту нелокальність». фіз. Rev. A 106, 052612 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.106.052612

[58] Девід Ейвіс, Хіроші Імаі, Цуйоші Іто та Юя Сасакі. «Двосторонні нерівності Белла, отримані з комбінаторики за допомогою трикутної елімінації». J. Phys. A 38, 10971–10987 (2005).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​38/​50/​007

[59] Цирельсон Борис Сергійович. “Квантові узагальнення нерівності Белла”. Листи з математичної фізики 4, 93–100 (1980).
https://​/​doi.org/​10.1007/​bf00417500

[60] Стівен Бойд і Лівен Ванденберге. “Опукла оптимізація”. Cambridge University Press. (2004).
https://​/​doi.org/​10.1017/​CBO9780511804441

[61] Віктор Сапатеро та Маркос Керті. «Міжміський апаратно-незалежний квантовий розподіл ключів». Sci Rep 9, 1–18 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-019-53803-0

[62] Н. Девід Мермін. «ЕПР-експеримент — думки про «лазівку»». Енн NY акад. Sci. 480, 422–427 (1986).
https: / / doi.org/ 10.1111 / j.1749-6632.1986.tb12444.x

[63] Ерік Вудхед, Єнджей Канєвський, Борис Бурдонкл, Алексія Салавракос, Джозеф Боулз, Антоніо Асін та Ремігіуш Аугусяк. “Максимальна випадковість із частково заплутаних станів”. фіз. Дослідження 2, 042028 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.042028

[64] Тамаш Вертеші, Стефано Піроніо та Ніколас Бруннер. «Закриття лазівок у виявленні в експериментах Белла за допомогою qudits». фіз. Преподобний Летт. 104, 060401 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.060401

[65] Ніколас Бруннер і Ніколя Гісін. «Частковий список дводольних нерівностей Белла з чотирма двійковими налаштуваннями». фіз. Lett. A 372, 3162–3167 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.physleta.2008.01.052

[66] Адан Кабелло. «Нероздільність «Все проти нічого» для двох спостерігачів». фіз. Преподобний Летт. 87, 010403 (2001).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.87.010403

[67] Ю-Чже Чжан, І-Чжен Жень і Фейху Сю. «Верхня межа апаратно-незалежного квантового розподілу ключів із двосторонньою класичною постобробкою під індивідуальною атакою». New Journal of Physics 24, 113045 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aca34b

[68] Деніел Коллінз, Ніколя Гісін, Ной Лінден, Серж Массар і Санду Попеску. “Нерівності Белла для систем довільної розмірності”. фіз. Преподобний Летт. 88, 040404 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.88.040404

Цитується

[1] Джузеппе Віола, Ніколай Міклін, Маріамі Гачечиладзе та Марчін Павловскі, «Свідчення заплутаності за допомогою ненадійних детекторів», Журнал фізики A Mathematical General 56 42, 425301 (2023).

[2] Ігнатій В. Прімаатмайя, Кун Тонг Гох, Ернест Ю. -З. Тан, Джон Т. -Ф. Khoo, Shouvik Ghorai та Charles C. -W. Лім, «Безпека апаратно-незалежних протоколів розподілу квантових ключів: огляд», Квант 7, 932 (2023).

[3] Єва М. Гонсалес-Руїс, Хав’єр Рівера-Дін, Марина Ф. Б. Ченні, Андерс С. Сьоренсен, Антоніо Асін та Енкі Удот, «Незалежний від пристрою квантовий розподіл ключів із реалістичними реалізаціями однофотонного джерела», arXiv: 2211.16472, (2022).

[4] Ю-Чже Чжан, І-Чжен Жень і Фейху Сю, «Верхня межа апаратно-незалежного квантового розподілу ключів із двосторонньою класичною постобробкою під індивідуальною атакою», New Journal of Physics 24 11, 113045 (2022).

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2023-12-07 14:36:49). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

On Служба, на яку посилається Crossref даних про цитування робіт не знайдено (остання спроба 2023-12-07 14:36:47).

Ця стаття опублікована в Quantum під Creative Commons Attribution 4.0 International (CC на 4.0) ліцензія. Авторське право залишається за оригінальними власниками авторських прав, такими як автори або їх установи.

Часова мітка:

Більше від Квантовий журнал