[論文レビュー] A Quantum Enigma Machine: Experimentally Demonstrating Quantum Data Locking

Daniel J. Lum, Michael S. Allman+6 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|May 20, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、メッセージ長より短い秘密鍵で情報理論的安全性を達成できる光学系を用いた量子データロック（QDL）の初回実験的実現を提示している。高次元量子チャネルにおける偏光および空間モードを用いて1光子あたり6ビットを符号化することで、リード・ソロモン誤り訂正符号と量子エンigmaマシンアーキテクチャを活用し、1光子あたり6ビット未塔の鍵で安全な直接通信を実現した。

ABSTRACT

Claude Shannon proved in 1949 that information-theoretic-secure encryption is possible if the encryption key is used only once, is random, and is at least as long as the message itself. Notwithstanding, when information is encoded in a quantum system, the phenomenon of quantum data locking allows one to encrypt a message with a shorter key and still provide information-theoretic security. We present one of the first feasible experimental demonstrations of quantum data locking for direct communication and propose a scheme for a quantum enigma machine that encrypts 6 bits per photon (containing messages, new encryption keys, and forward error correction bits) with less than 6 bits per photon of encryption key while remaining information-theoretically secure.

研究の動機と目的

• 光子系を用いた安全な直接通信のための量子データロック（QDL）の実験的実現可能性を示すこと。
• 1光子あたり6ビットの情報を符号化するが、1光子あたり6ビット未塔の秘密鍵を用いる実用的な量子エンigmaマシンを実現すること。
• 有限な量子記憶能力を有する盗聴者に対する可視情報が制限される、境界付き量子記憶モデルにおける情報理論的安全性を達成すること。
• 高次元QDLプロトコルにおけるメッセージ容量、秘密鍵消費量、誤り訂正のトレードオフを評価すること。
• 自由空間光学チャネルにおけるリード・ソロモン符号と高次元符号化を用いたQDLのスケーラビリティを検討すること。

提案手法

• ヘルド・シングル光子状態の生成のため、BiBO結晶を用いたタイプIの縮退しない自己蛍光パラメトリックダウンコンversion（SPDC）を用いた。
• 信号光子にランダムなユニタリ操作（スキャムブルング位相マスク）を適用するために、512×512画素の液体結晶空間光変調器（SLM）を用い、線形位相シフトにより6ビットの情報を符号化した。
• イヴの領域に4Fイメージングシステムを実装し、アリスのSLM出力をボブのSLMにマッピングすることで、ボブが逆ユニタリ操作を適用して復号できるようにした。
• 効率的かつ低ノイズな出力状態検出のため、レンズレット集光を施した8×8の超伝導ナノワイヤー単一光子検出器アレイ（SNSPD）を用いた。
• 伝送誤りを是正し、前方誤り訂正（FEC）を可能にするために、リード・ソロモン（63, 51）誤り訂正符号を適用したが、同時に鍵消費量を考慮した。
• システム損失のため弱いロックイン容量を想定し、イヴの量子記憶が制限される境界付き記憶モデル下でもセキュリティが保たれることを前提とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的部品を用いた高次元光学系において、量子データロックが実験的に実現可能か？
• RQ2 QDLにおいて、情報理論的安全性を維持したまま、メッセージ長未満の秘密鍵長にまで短縮できるか、その程度は？
• RQ3 高次元符号化と誤り訂正符号の使用が、QDLにおける実現可能なメッセージ容量および鍵消費量に与える影響は？
• RQ4 実験的損失および検出器の非効率性が、QDLベースの量子エンigmaマシンのセキュリティおよび性能に与える影響は？
• RQ5 既存の光子技術および誤り訂正方式を用いて、スケーラブルで高レートのQDLプロトコルを実装可能か？

主な発見

• 1光子あたり6ビットの安全な直接通信を、1光子あたり6ビット未塔の秘密鍵を用いて実現し、量子データロックの基本的原理を実証した。
• リード・ソロモン（63, 51）符号を用いることで、誤り訂正を伴うメッセージ伝送を実現したが、1光子あたりの鍵消費量は6ビット未塔であり、チャネル利用回数が増加するに従い、鍵消費量は漸近的に定数に近づくことが示された。
• 63シンボル中51シンボルのメッセージ符号に対して、リード・ソロモン復号の成功率は95％を超えており、実験的条件下でも高い信頼性を示した。
• チャネル利用回数（n）が増加するにつれて、1光子あたりの秘密鍵消費量が減少することが実験で示された。n=126ではn=63に比べて顕著に鍵消費量が減少した。
• 理論的解析により、コードブックおよびシステム次元を増加させることで、任意の損失下でも強いロックイン容量が達成可能であり、境界付き記憶モデル下でもセキュリティが保たれることを確認した。
• 本実験は、量子エンigmaマシンの概念実証として機能し、高次元量子状態が線形でない鍵使用量で高容量かつ情報理論的安全な通信を可能にすることを示した。