[論文レビュー] Deterministic secure direct communication by using swapping quantum entanglement and local unitary operations

Z. J. Zhang, Zhong‐Xiao Man|ArXiv.org|Mar 30, 2004

Quantum Information and Cryptography被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、量子もつれスワッピングと局所ユニタリ操作を用いた決定的で安全な直接通信プロトコルを提案する。EPR対をチェック用と符号化用のグループに分割することで、アリスは局所操作によりメッセージを符号化し、ボブはベル状態測定を用いて直接復号できる。チェックグループの数が十分に大きい場合、盗聴に対して安全であることが保証される。

ABSTRACT

A deterministic direct quantum communication protocol by using swapping quantum entanglement and local unitary operations is proposed in this paper. A set of ordered EPR pairs in one of the four Bell states is used. For each pair, each of the two legitimate users owns a photon of the entangled pair via quantum channel. The pairs are divided into two types of group, i.e., the checking groups and the encoding-decoding groups. In the checking groups, taking advantage of the swapping quantum entanglement and Alice's (the message sender's) public announcement, the eavesdropping can be detected provided that the number of the checking groups is big enough. After insuring the security of the quantum channel, Alice encodes her bits via the local unitary operations on the encoding-decoding groups. Then she performs her Bell measurements on her photons and publicly announces her measurement results. After her announcement, the message receiver Bob performs his Bell measurements on his photons and directly extracts the encoding bits by using the property of the quantum entanglement swapping. The security of the present scheme is also discussed: under the attack scenarios to our best knowledge, the scheme is secure.

研究の動機と目的

• 事前鍵交換なしに秘密のメッセージを直接送信できる決定的で安全な直接通信プロトコルの開発。
• 量子もつれスワッピングを活用して、離れた参加者間の測定結果を相関させ、安全なメッセージ抽出を可能にする。
• チェックグループの使用と測定結果の公開を用いて、盗聴に対する安全性を確保する。
• 個々の攻撃および集合的攻撃を含む既知の攻撃シナリオにおいても、プロトコルが安全であることを示す。
• 完全なセキュリティと決定論的動作を備えたプロトコルを提供し、従来の確率的スキームを改善する。

提案手法

• プロトコルは、4つのベル状態のいずれかに準備されたEPR対の列を用い、量子チャネルを通じてアリスとボブに配布する。
• EPR対は2つのグループに分けられる：盗聴検出用のチェックグループと、メッセージ送信用の符号化・復号グループ。
• アリスは符号化・復号グループ内の自分の光子に対して局所ユニタリ操作を実行し、古典ビットを符号化する。
• 符号化後、アリスは自分の光子に対してベル状態測定を実行し、その結果を公開する。
• ボブは自分の光子に対してベル状態測定を実行し、もつれスワッピングによる相関を用いて直接符号化ビットを抽出する。
• 盗聴はチェックグループにおける測定結果の比較によって検出される。チェックグループの数が十分に大きい場合、いかなる摂動も検出可能な不一致を引き起こす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所操作ともつれスワッピングのみを用いて、決定的で安全な直接通信プロトコルを構築できるか？
• RQ2 事前鍵交換なしに、決定的プロトコルで盗聴をどのように検出できるか？
• RQ3 もつれスワッピングは、受信者が直接メッセージを抽出できるようにするために果たす役割は何か？
• RQ4 プロトコルは個々の攻撃および集合的攻撃に対してどのようにしてセキュリティを確保するか？
• RQ5 プロトコルは、秘密鍵とプレーンテキストメッセージの両方を安全かつ決定的に送信できるか？

主な発見

• もつれスワッピングと局所ユニタリ操作を用いることで、メッセージの直接符号化・復号が可能となり、決定的で安全な直接通信が実現される。
• チェックグループの数が十分に大きい場合、ベル状態測定結果の相関のおかげで、盗聴が高確率で検出可能である。
• エヴェルが測定するか、アシスタント光子をもつれてエンタングルする個々の攻撃に対しても、共同測定が行われる限り、その行動は検出されない。
• 非複製性および非信号伝播性の量子力学的性質のおかげで、プロトコルは集合的攻撃（アシスタントの準備やエヴェルの局所操作を含む）に対しても安全である。
• 事前共有秘密鍵が不要なため、秘密鍵およびプレーンテキストメッセージの直接送信が可能である。
• 測定結果の相関と検出確率の分析により、すべての既知の攻撃シナリオにおいてプロトコルのセキュリティが維持されていることが確認された。