[論文レビュー] Measurement-device-independent QSDC protocol using Bell and GHZ states on quantum simulator

Arunaday Gupta, Bikash K. Behera+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、IBM Quantum Experience プラットフォーム上で実装された、ベル状態およびGHZエンタングル状態を用いた測定装置に依存しない量子セキュア直接通信（MDI-QSDC）プロトコルを提案する。もつれスワッピングと第三者測定モデルを活用することで、測定装置攻撃に対して安全であり、鍵配布なしに直接秘密のメッセージを送信可能であり、量子回路シミュレーションおよび内積に基づく盗聴検出によって検証された。

ABSTRACT

Secure cryptographic protocols are indispensable for modern communication systems. It is realized through an encryption process in cryptography. In quantum cryptography, Quantum Key Distribution (QKD) is a widely popular quantum communication scheme that enables two parties to establish a shared secret key that can be used to encrypt and decrypt messages. But security loopholes still exist in this cryptographic protocol, as an eavesdropper can in principle still intercept all the ciphertext to perform cryptanalysis and the key may get leaked to the eavesdropper, although it happens very rarely. However, there exists a more secure quantum cryptographic scheme known as Quantum Secure Direct Communication (QSDC) protocol that eliminates the necessity of key, encryption and ciphertext transmission. It is a unique quantum communication scheme where secret information is transmitted directly over a quantum communication channel. We make use of measurement-device-independent (MDI) protocol in this scheme where all the measurements of quantum states during communication are performed by a third party that can be untrusted or even an eavesdropper. This eliminates all loopholes in practical measurement devices. Here, we realize this MDI-QSDC protocol using Bell and GHZ states in the IBM Quantum Experience platform and implement swapping circuits for security check.

研究の動機と目的

• 鍵配布や暗号文の送信を必要とせず、安全な量子通信プロトコルの開発を目的とする。
• 測定装置の不完全性に起因する実用的量子通信システムにおけるセキュリティ脆弱性を解消することを目的とする。
• ベル状態およびGHZエンタングル状態を用いた測定装置に依存しない（MDI）QSDCプロトコルを、実際の量子プラットフォームに実装することを目的とする。
• 量子回路シミュレーションおよび内積ベースの盗聴検出を用いて、プロトコルのセキュリティを検証することを目的とする。
• IBM Quantum Experience 上でのもつれスワッピングおよびスーパーデンスコーディングを用いた、直接的かつ安全なメッセージ送信の実現可能性を示すこと。

提案手法

• プロトコルは、アリスとボブ間の安全な通信に用いるエンタングル状態としてベル状態およびGHZ状態をリソース状態として使用する。
• 第三者（チャーリー）によるベル基底測定を介したもつれスワッピングにより、アリスとボブのキュービットがもつれる。
• 盗聴攻撃を検出するために、初期状態と最終状態の間の内積を計算するスワッピング回路を実装する。
• Zゲート操作をアリスのキュービットに適用することでメッセージを符号化し、直接送信を可能にするスーパーデンスコーディングを実現する。
• チャーリーが第三のキュービットに対してGHZ基底測定を実行し、状態を崩壊させることで符号化されたメッセージを明らかにする。
• 本プロトコルは、実際の量子回路とヒストグラムベースの状態検証を用いて、IBM Quantum Experience プラットフォーム上でシミュレーションされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の量子プラットフォーム上において、ベル状態およびGHZエンタングル状態を用いた測定装置に依存しないQSDCプロトコルを効果的に実装できるか？
• RQ2 もつれスワッピングをどのように活用することで、装置に依存しない形で遠隔のキュービットを安全に接続できるか？
• RQ3 内積ベースのスワッピング回路は、実用的なQSDC環境において盗聴を信頼性高く検出できるか？
• RQ4 シミュレーテッド環境において、測定装置攻撃に対してプロトコルがどの程度のセキュリティを維持できるか？
• RQ5 スーパーデンスコーディングは、MDI-QSDCフレームワークにどのように統合され、直接的なメッセージ送信を可能にするか？

主な発見

• MDI-QSDCプロトコルは、鍵配布や暗号文の送信を一切必要とせず、直接的かつ安全な秘密メッセージ送信を実現した。
• ベル状態とGHZ状態間のもつれスワッピングにより、アリスとボブの間で遠隔もつれが確立され、量子回路シミュレーションによって検証された。
• スワッピング回路による内積計算は、盗聴攻撃を効果的に検出でき、盗聴が行われない場合には顕著なずれが認められなかった。
• IBM Quantum Experience からのヒストограмプロットは、ボブがスーパーデンスコーディングを介して送信されたメッセージを正しく復号できることを確認した。
• すべての測定を信頼できない第三者（チャーリー）に委ねることで、測定装置攻撃に対してプロトコルが免疫を示した。
• IBM Quantum Experience 上での実装により、標準的な量子ゲートと測定プロトコルを用いたMDI-QSDCの実現可能性が裏付けられた。