[論文レビュー] Continuous variable B92 quantum key distribution protocol using single photon added and subtracted coherent states

S. Srikara, Kishore Thapliyal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、単一光子追加および除去されたコヒーレント状態（PASCS）を用いた連続変数B92量子鍵配送プロトコルを提案する。このプロトコルは、無情報状態やエンタングルメントを必要とせず、明確な状態判別（USD）攻撃およびビームスプリッタ攻撃に対して内在的に耐性を示す。この方式により、低いビット誤り率と高い鍵生成レートを実現し、損失のあるチャネルにおいて、離散変数B92や類似のCV-QKDプロトコルよりもセキュリティと実用性に優れる。

ABSTRACT

In this paper, a continuous variable B92 quantum key distribution (QKD) protocol is proposed using single photon added and subtracted coherent states, which are prepared by adding and subsequently subtracting a single photon on a coherent state. It is established that in contrast to the traditional discrete variable B92 protocol, this protocol for QKD is intrinsically robust against the unambiguous state discrimination attack, which circumvents the requirement for any uninformative states or entanglement used in corresponding discrete variable case as a remedy for this attack. Further, it is shown that the proposed protocol is intrinsically robust against the eavesdropping strategies exploiting classical communication during basis reconciliation, such as beam splitter attack. Security against some individual attacks, key rate, and bit-error rate estimation for the proposed scheme are also provided. Specifically, the proposed scheme ensures very small bit-error rate due to properties of the states used. Thus, the proposed scheme is shown to be preferable over the corresponding discrete variable B92 protocol as well as some similar continuous variable quantum key distribution schemes.

研究の動機と目的

• 離散変数B92が明確な状態判別（USD）攻撃に対して脆弱であるのを克服する連続変数B92 QKDプロトコルの開発。
• 従来のDVベースの解決策で必要とされる無情報状態やエンタングルメントを排除してB92プロトコルを保護すること。
• 基準の一致処理中の古典的通信を悪用する攻撃戦略（例：ビームスプリッタ攻撃）に対するセキュリティの強化。
• 実用的な連続変数状態（例：PASCS）を用いて、高い鍵生成レートと低いビット誤り率を達成すること。
• PASCSの内在的性質を活用して、既存のCV-QKD方式の安全で実用的な代替手段を提供すること。

提案手法

• 情報の符号化に単一光子追加および除去されたコヒーレント状態（PASCS）を用いる。PASCSは、コヒーレント状態に1つの光子を追加し、その後に1つ除去することで生成される。
• アリスは、ビット値0および1に対応するPASCS状態を準備し送信する。これらの状態は非直交的であり、片方の正準座標が他方よりも優勢な領域を示す位相空間分布を有する。
• ボブは受信状態に対してホモダイニング測定を実行し、後処理のしきい値ζcに基づいて確定的結果のみを採用し、不確定な結果は破棄する。
• Eveが明確な状態判別（USD）を試みる場合、真空に近い信号が発生するが、期待される信号パワーが欠如しているため、ボブが検出可能であるという事実をプロトコルは活用する。
• Eveの状態判別成功確率P_corrを計算することで、インターセプ・アンド・リサイクルおよびビームスプリッタ攻撃に対するセキュリティを分析し、P_corrが低いほど検出確率が高くなることを示す。
• 鍵生成レートとビット誤り率は、正準座標測定の同時確率分布を用いて推定され、固定されたビット誤り率δに対して、コヒーレント振幅αの最適化が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PASCSを用いた連続変数B92プロトコルは、明確な状態判別（USD）攻撃に対して内在的に耐性を示せるか？
• RQ2 提案されたプロトコルは、元来の離散変数B92プロトコルとは異なり、USD攻撃に対抗するための無情報状態やエンタングルメントを必要としないか？
• RQ3 基準の一致処理中の古典的通信を悪用するビームスプリッタ攻撃に対して、プロトコルはどのように性能を発揮するか？
• RQ4 PASCSを用いた提案されたCV B92方式の実現可能な鍵生成レートとビット誤り率はどの程度か？
• RQ5 追加の古典的通信による一致処理が不要な状態で、個々の攻撃に対して低ビット誤り率と高いセキュリティを維持できるか？

主な発見

• 提案されたPASCSを用いたCV B92プロトコルは、Eveの測定が不確定な場合に真空に近い信号が発生するため、信号パワーの欠如によりボブが検出可能となることから、明確な状態判別（USD）攻撃に対して内在的に耐性を示す。
• 従来の離散変数B92の修正手法とは異なり、USD攻撃に対抗するための無情報状態やエンタングルメントを必要としないため、実装が簡素化される。
• 基準の一致処理中の古典的通信を悪用するビームスプリッタ攻撃に対しても、Eveが正しい状態を信頼性高く特定できないため、プロトコルは耐性を示す。
• PASCS状態の位相空間分布の明確な違いにより重なりが最小限に抑えられ、状態の識別性が向上するため、ビット誤り率は非常に低い。
• 鍵生成レートは高く維持され、類似のCV-QKD方式と同等またはそれ以上の性能を示すと推定される。個々の攻撃（インターセプ・アンド・リサイクルおよび同時正準座標測定を含む）に対してもセキュリティが保証されている。
• Eveの状態判別成功確率P_corrが最小限に抑えられ、検出可能性が向上するため、全体的なプロトコルのセキュリティが強化される。