[論文レビュー] Continuous-variable quantum cryptography with untrusted relays

Stefano Pirandola, Carlo Ottaviani+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2013

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、信頼できない中継ノードを有するネットワーク向けに連続変数量子鍵配送プロトコルを提案する。二つの参加者が共役状態を用いて送信し、中継ノードでベル測定を実行することで、潜在的な盗聴に対しても秘密鍵を生成可能である。この方式は、離散変数プロトコルと比較して、桁違いに高い鍵レートを達成しており、特に中継ノードが一方の参加者に近い場合に顕著である。これにより、信頼できないネットワーク構造においても実用的な高レート量子通信が可能になる。

ABSTRACT

We extend the field of continuous-variable quantum cryptography to a network formulation where two honest parties connect to an untrusted relay by insecure quantum links. To generate secret correlations, they transmit coherent states to the relay where a continuous-variable Bell detection is performed and the outcome broadcast. Even though the detection could be fully corrupted and the links subject to optimal coherent attacks, the honest parties can still extract a secret key, achieving high rates when the relay is proximal to one party, as typical in public networks with access points or proxy servers. Our theory is confirmed by an experiment generating key-rates which are orders of magnitude higher than those achievable with discrete-variable protocols. Thus, using the cheapest possible quantum resources, we experimentally show the possibility of high-rate quantum key distribution in network topologies where direct links are missing between end-users and intermediate relays cannot be trusted.

研究の動機と目的

• 直接的なリンクが存在しないネットワーク環境における高レート量子鍵配送を可能にすること。
• 攻撃者によって侵害されたり完全に制御されている可能性がある信頼できない中継ノードの課題に対処すること。
• 量子回路および中継ノードの測定に対して最適な連続的干渉攻撃に対しても耐性を持つプロトコルの開発。
• 共役状態およびノイズ検出のみを用いて、実験的に実現可能性を示すこと。

提案手法

• 参加者が不確実な量子チャネルを介して共役状態を信頼できない中継ノードに送信する。
• 中継ノードは受信した状態に対して連続変数ベル測定を実行し、測定結果を広報する。
• 誠実な参加者は、古典的ブロードキャスト結果と自らの測定データを用いて相関を推定し、秘密鍵を抽出する。
• セキュリティは連続変数もつれ状態およびガウス状態の使用により確保され、最適な連続的干渉攻撃に対しても成立する。
• ノイズおよび盗聴を考慮した、相互情報量および量子相互情報量に基づいて鍵レートを計算する。
• 中継ノードの測定が完全に改ざん可能であっても、量子相関の構造のおかげで秘密鍵抽出が可能である点を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共役状態のみを用いた連続変数量子リソースを用いて、信頼できない中継ノードを有するネットワークでも秘密鍵配布が可能か？
• RQ2 中継ノードが一方の参加者に近接している場合、そのようなネットワークで達成可能な鍵レートはどの程度か？
• RQ3 量子回路および中継ノードに対して最適な連続的干渉攻撃が加えられた場合でも、プロトコルはセキュリティを維持できるか？
• RQ4 共役状態およびノイズ検出のみを用いて、高レート鍵レートが実験的に実証可能か？
• RQ5 中継ノードの近接性が、ネットワーク量子暗号環境における達成可能な鍵レートに与える影響は何か？

主な発見

• 本プロトコルは、離散変数量子鍵配送プロトコルが可能とするものと比較して、桁違いに高い鍵レートを達成する。
• 中継ノードが誠実な参加者のいずれかに近接している場合でも、高い秘密鍵レートが維持される。これは、一般に公共ネットワークアーキテクチャで見られる状況である。
• 中継ノードが完全に信頼できない状態であり、かつ量子回路が最適な連続的干渉攻撃を受けた場合でも、セキュリティが保たれる。
• 本方式は、共役状態およびノイズ検出のみを用いて実験的に検証され、最小限の量子リソースで高レート量子鍵配送が実現可能であることが確認された。
• 中継ノードで実行される連続変数ベル測定のおかげで、中間ノードに信頼できる量子デバイスを必要とせずに安全な鍵抽出が可能である。
• 結果として、低コストの量子技術を用いてネットワーク量子暗号を実装でき、スケーラブルかつ高レートの鍵配布が可能であることが示された。