[論文レビュー] How to pull yourself up by your adversary's quantum discord

Cosmo Lupo, Seth Lloyd|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2015

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、盗聴者の有限な量子メモリ時間を利用することで、損失のある光ファイバー通信路を介した量子鍵配送が、距離にかかわらず1モードあたり1ビットの定常的な秘密鍵レートを達成できることを示している。この方法は、盗聴者の保持する量子情報における量子分散を活用することで、標準量子力学が課す指数関数的減衰の限界を超えて長距離の安全な通信を実現する。

ABSTRACT

Quantum physics allows for unconditionally secure communication through insecure communication channels. The achievable rates of quantum-secured communication are fundamentally limited by the laws of quantum physics and in particular by the properties of entanglement. For a lossy communication line, this implies that the secret-key generation rate vanishes at least exponentially with the communication distance. We show that this fundamental limitation can be violated in a realistic scenario where the eavesdropper can store quantum information for only a finite, yet arbitrarily long, time. We consider communication through a lossy bononic channel (modeling linear loss in optical fibers) and we show that it is in principle possible to achieve a constant rate of key generation of one bit per optical mode over arbitrarily long communication distances.

研究の動機と目的

• 損失のある通信路を介した量子鍵配送における根本的な制限、すなわち秘密鍵レートが距離とともに指数関数的に減少することを解消すること。
• 盗聴者の量子メモリに現実的な制限が加えられる条件下で、この制限を回避できるかどうかを調査すること。
• 盗聴者が量子情報を有限時間しか保持できない場合に、量子分散がどのように安全な通信を可能にするかを明らかにすること。
• これらの条件下で、任意の長距離にわたり1モードあたり定常的な秘密鍵レートが達成可能であることを実証すること。

提案手法

• 光ファイバー伝送における線形損失を表現するため、通信路を損失のあるボソン的チャネルとしてモデル化する。
• 盗聴者が有限な量子メモリ時間を持つものと仮定し、保持される量子情報のコherency時間に制限が加わることを想定する。
• 盗聴者のシステムにおける量子分散を分析し、鍵生成に利用可能な残存相関を定量化する。
• 量子情報理論的手法を用いて、チャネル損失が増加しても秘密鍵レートが一定に保たれることを示す。
• 盗聴者のメモリに制限があることにより、鍵レートが距離とともに指数関数的に減少しないことを実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 盗聴者の能力について現実的な仮定がなされた場合に、損失のある量子チャネルにおける秘密鍵レートの指数的減少を克服できるか？
• RQ2 盗聴者の有限な量子メモリが、量子鍵配送における達成可能な秘密鍵レートにどのように影響を与えるか？
• RQ3 盗聴者のシステムにおける量子分散をどれほど活用することで、長距離にわたり定常的な鍵レートを維持できるか？
• RQ4 盗聴者のメモリが制限されている場合に、通信距離にかかわらず非ゼロで定常的な1モードあたりの秘密鍵レートを達成することは可能か？

主な発見

• 秘密鍵生成レートは、通信距離に依存せず、1モードあたり1ビットの定常的レートを維持する。
• この定常的レートは、盗聴者の有限なメモリ時間によって、保持される量子情報のコherencyが制限されることに起因する。
• 盗聴者のシステムにおける量子分散が、チャネル損失にもかかわらず定常的鍵レートの実現に重要な役割を果たす。
• 与えられた現実的な仮定（盗聴者のメモリが限られている）のもとで、損失のあるチャネルにおける秘密鍵レートの従来の指数関数的減衰の上限を破る結果が得られた。