[論文レビュー] Absolutely covert quantum communication

Kamil Brádler, Timjan Kalajdzievski+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 31被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、ミンコフスキー真空における時空的もつれを用いた、根本的かつ隠れた量子通信プロトコルを提案する。Unruh-DeWitt検出器を用い、熱雑音や古典的信号伝送に依存せずに、漸近的に正の秘密鍵レートを達成する。この方式により、内在する量子真空相関を利用するため、長距離にわたる真正の隠れた量子通信が可能であることが示され、原理的に信頼性があり検出不能な量子通信が実現可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

We present truly ultimate limits on covert quantum communication by exploiting quantum-mechanical properties of the Minkowski vacuum in the quantum field theory framework. Our main results are the following: We show how two parties equipped with Unruh-DeWitt detectors can covertly communicate at large distances without the need of hiding in a thermal background or relying on various technological tricks. We reinstate the information-theoretic security standards for reliability of asymptotic quantum communication and show that the rate of covert communication is strictly positive. Therefore, contrary to the previous conclusions, covert and reliable quantum communication is possible.

研究の動機と目的

• 相対論的量子場理論を用いて、隠れた量子通信の極限的限界を確立すること。
• 純損失チャネルにおいて、隠れた量子通信レートが漸近的に消えるという従来の結論を克服すること。
• 環境雑音や技術的隠蔽手段に依存せずに、量子通信が同時に隠れていても信頼性を持つことの可能性を示すこと。
• 時空的もつれが長距離で検出不能な量子通信を可能にする役割を分析すること。
• 長距離の隠れた量子通信において、古典的通信を完全に排除できるかどうかを調査すること。

提案手法

• プロトコルは、スカラー量子場がミンコフスキー真空に存在する状態で、慣性運動を行う2名の観測者にUnruh-DeWitt検出器を装備して実装される。
• 検出器の応答は、4次までの摂動論的理論まで計算され、場の状態をトレースアウトした後のもつれ状態が抽出される。
• 得られた2検出器状態は、もつれの生成度や秘密鍵レートの上限といった、量子情報理論のツールを用いて分析される。
• 分析は、特に2方向の古典的通信を想定した状況下でのチャネルの漸近的挙動に焦点を当てる。
• プロトコルは、特定のパrameter領域では、qubitパウリチャネルに類似したチョイ・ジャミオルコフスキー行列を持つ量子チャネルとして解釈できる。
• 盗聴者（eavesdropper）がシステムの純粋化状態を保持できるが、正当な参加者の部分状態にアクセスできないという仮定の下で、セキュリティが分析される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子チャネルにおいて、熱雑音や人工的な隠蔽機構に依存せずに、隠れた量子通信を達成できるか？
• RQ2 相対論的量子場理論における、隠れた量子通信の根本的上限レートは何か？
• RQ3 量子信号の交換なしに、漸近的極限においても、厳密に正の秘密鍵レートを達成できるか？
• RQ4 長距離の隠れた量子通信において、古典的通信を完全に回避できるか？
• RQ5 ミンコフスキー真空の内在的もつれが、数千キロメートルにわたる信頼性があり検出不能な量子通信を可能にするか？

主な発見

• 隠れた量子通信の漸近的レートは、純損失チャネルにおいてはゼロに収束すると予測されていた従来の結果とは対照的に、厳密に正であることが判明した。
• 特定のパrameter条件下では、1方向通信において約0.008の正の秘密鍵レートが達成可能であり、2方向の古典的通信によりさらに高いレートが得られる。
• 検出器間のもつれは、ミンコフスキー真空における時空的相関に起因し、直接的な量子信号の交換なしに通信を可能にする。
• 誘導されるチャネルの整合情報は正のままであり、空間的・時間的分離が大きくても信頼性のある量子通信が可能である。
• 結合定数λが小さくなるとレートは減少し、状態が分離的になるとゼロに収束する。これはもつれにおける相転移を示唆している。
• 盗聴者がシステムの純粋化状態を保持できるとしても、正当な参加者の部分状態は影響を受けないため、プロトコルは安全である。