[論文レビュー] Homodyne Detection Quadrature Phase Shift Keying Continuous-Variable Quantum Key Distribution with High Excess Noise Tolerance

Wen‐Bo Liu, Chen-Long Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 81被引用数 103

ひとこと要約

本稿は、四相位位相シフトキーイング（QPSK）を用いた四相位のコherent状態を用いた、ホモダイン検出に基づく連続変数量子鍵配送（CV-QKD）プロトコルを提案する。リバース再結合と信号マッピングの最適化を活用することで、過剰雑音に対して高い耐性を示し、従来のホモダイン方式を凌駕し、ほぼ都市間距離にわたる安全な鍵配送を実現する。これにより、検出器雑音に対してより高い耐性を発揮する。

ABSTRACT

Discrete-modulated continuous-variable quantum key distribution with homodyne detection is widely recognized for its ease of implementation, efficiency with respect to error correction, and its compatibility with modern optical communication devices. However, recent studies report that the application of homodyne detection obtains poor tolerance to excess noise and insufficient transmission distance, hence seriously restricting the large-scale deployment of quantum secure communication networks. In this paper, we propose a homodyne detection protocol using the quadrature phase shift keying technique. By limiting information leakage, our proposed protocol enhances excess noise tolerance to a high level. Furthermore, we demonstrate that homodyne detection performs better than heterodyne detection in quaternary-modulated continuous-variable quantum key distribution under the untrusted detector noise scenario. The security is analyzed using the tight numerical method against collective attacks in the asymptotic regime. Our results imply that the current protocol is able to distribute keys in nearly intercity area and thus paves the way for constructing low-cost quantum secure communication networks.

研究の動機と目的

• 離散変調CV-QKDにおける既存のホモダイン検出プロトコルの過剰雑音耐性の低さと伝送距離の制限を解決する。
• 大規模な量子セキュア通信ネットワークにおける連続変数量子鍵配送の実用性を向上させる。
• 信頼できない検出器雑音条件下で、ホモダイン検出がハエロダイン検出を上回ることを示す。
• 最適化された信号マッピングを用いた四値変調プロトコルにより、セキュリティと鍵レート性能を向上させる。

提案手法

• 離散変調に四相位のコherent状態（π/4、3π/4、5π/4、7π/4）を用いる。
• 各ラウンドで四元数（qまたはp）をランダムに選択してホモダイン検出を実施する。
• リバース再結合を適用：アリスの生鍵は、ボブの測定した四元数に基づく位相ラベルから導出される。
• 閾値∆を用いた事後選別を導入し、測定結果をフィルタリングし、情報漏洩を低減する。
• 漸近的状態における集団攻撃に対するきつい数値的セキュリティ解析を実施する。
• パrameterチューニングと過剰雑音下でのノイズ耐性を最適化することで、鍵レート計算を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散変調を用いたホモダイン検出は、CV-QKDにおいて高い過剰雑音耐性を達成できるか？
• RQ2 位相ベースの鍵マッピングを用いたQPSK変調プロトコルは、既存のホモダイン方式に比べ、鍵レートと伝送距離で優れているか？
• RQ3 信頼できない検出器雑音条件下で、ホモダイン検出はハエロダイン検出を上回る性能を示せるか？
• RQ4 このプロトコルを用いて、高い過剰雑音耐性を実現する最大伝送距離はどの程度か？

主な発見

• 提案されたプロトコルは、離散変調を用いた既存のホモダイン検出プロトコルと比較して、顕著に高い過剰雑音耐性を達成する。
• 伝送距離がほぼ都市間スケールまで延長され、メトロポリタンネットワークにおける実用的導入を可能にする。
• 秘密鍵レートはハエロダイン検出プロトコルと同等であり、信頼できない検出器雑音下でも優れた性能を示す。
• 検出器の不具合が生じる状況、特に過剰雑音下では、ホモダイン検出がハエロダイン検出を上回る性能を発揮する。
• 集団攻撃に対しても高いセキュリティを維持する。これは、漸近的状態におけるきつい数値的解析によって検証された。
• ∆ > 0 の事後選別は、鍵レートとノイズ耐性を向上させ、信号マッピング最適化の有効性を示している。