[論文レビュー] Lightweight Mediated Semi-Quantum Key Distribution Protocol with a Dishonest Third Party based on Bell States

Chia‐Wei Tsai, Chun‐Wei Yang|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 66被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、ベル状態を量子資源として用いる軽量な中継者付き半量子鍵配送（MSQKD）プロトコルを提案する。このプロトコルにより、不誠実な第三者（TP）が存在する中でも、2名の古典的参加者が安全に秘密鍵を共有できる。プロトコルは一方通行の量子通信を採用しており、トロイの木馬検出器の必要性を排除するとともに、デ coherent 時間を短縮する。また、Z基底測定とハダマード操作の2つの量子能力のみを必要とするため、従来のプロトコルよりも実用的である。

ABSTRACT

The mediated semi-quantum key distribution (MSQKD) protocol is an important research issue that lets two classical participants share secret keys securely between each other with the help of a third party (TP). However, in the existing MSQKD protocols, there are two improvable issues, namely (1) the classical participants must be equipped with expensive detectors to avoid Trojan horse attacks and (2) the trustworthiness level of TP must be honest. To the best of our knowledge, none of the existing MSQKD protocols can resolve both these issues. Therefore, this study takes Bell states as the quantum resource to propose a MSQKD protocol, in which the classical participants do not need a Trojan horse detector and the TP is dishonest. Furthermore, the proposed protocol is shown to be secure against well-known attacks and the classical participants only need two quantum capabilities. Therefore, in comparison to the existing MSQKD protocols, the proposed protocol is better practical.

研究の動機と目的

• 既存のMSQKDプロトコルで古典的参加者が高価なトロイの木馬検出器を必要としている非現実的な問題を解決する。
• 従来のMSQKDプロトコルが想定している誠実な第三者（TP）の仮定に起因する制限を解消する。これは実世界の応用において現実的ではない。
• 古典的参加者が最小限の量子能力（Z基底測定とハダマード操作）のみを備える実用的なMSQKDプロトコルを設計する。
• 一方通行の量子通信を用いることで、qubitのデ coherent を低減し、qubitの保存や再順序付けの必要性を排除することで、セキュリティと効率を向上させる。
• プロトコルが代表的な攻撃に対して安全でありつつ、qubit効率と実装可能性を向上させることを示す。

提案手法

• 鍵配送のための量子資源としてベル状態（特に|Φ⁺⟩）を用いる。TPが準備する。
• 一方通行の量子通信モデルを採用し、TPがエンタングルドqubitをアリスとボブに直接送信する。qubitの返却は不要。
• 古典的参加者は受信したqubitに対して、Z基底測定と1量子ビットのハダマード操作の2つのみの量子操作を行う。
• 半数の測定結果をテストビットとして使用し、不正な傍受を検出するための鍵の選別と誤り検出メカニズムを導入する。
• ベル状態のエンタングルメントの本質的セキュリティと一方通行伝送により、TPからの情報漏洩を防止する。
• 量子力学のセキュリティとベル状態の構造に依存し、不誠実なTPですら最終鍵を抽出できないことを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不誠実な第三者（TP）が存在する状況でも安全に動作する中継者付き半量子鍵配送プロトコルを設計できるか。特に、TPへの信頼を必要としないか。
• RQ2 古典的参加者がZ基底測定とハダマード操作の2つのみの量子能力に制限されても、セキュリティと効率を維持できるか。
• RQ3 一方通行の量子通信は、MSQKDプロトコルにおいてトロイの木馬検出器の必要性を排除できるか。
• RQ4 実際のデ coherent 時間制約のもとで、既存のMSQKDプロトコルと比較して高いqubit効率を達成できるか。
• RQ5 不誠実なTPを想定した場合でも、代表的な量子攻撃（盗聴・再送攻撃、エンタングル・メジャー攻撃など）に対して、プロトコルは頑健か。

主な発見

• 提案されたプロトコルはqubit効率1/8を達成しており、Krawecの（1/24）、Liuらの（1/8、同一）、Linらの（1/24）、Tsaiらの（1/32）プロトコルよりも優れている。
• 一方通行通信のおかげで、qubitの維持に必要な時間がtにまで短縮される。一方、二重通信プロトコルでは2t（または2t + r）が必要であり、デ coherent のリスクが顕著に低減される。
• 一方通行通信により、傍受者がプローブ光子を用いた傍受を不可能にし、古典的参加者はトロイの木馬検出器を一切必要としない。
• 不誠実なTPが存在する状況でも、盗聴・再送攻撃やエンタングル・メジャー攻撃といった代表的な攻撃に対して、プロトコルは安全である。
• ユニタリ操作に基づく軽量なユニタリ型半量子環境で実装されており、Z基底測定とハダマード操作の2つのみの量子能力を必要とする。
• ベル状態と一方通行伝送モデルを用いることで、セキュリティと効率を維持し、既存のMSQKDプロトコルよりも実用的である。