[論文レビュー] Measurement-device-independent randomness certification by \emph{local} entangled states

Manik Banik|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 8被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、信頼できる測定装置を必要としないため、従来の装置独立型（DI）の状況では無効であった局所的に記述可能なエンタングル状態を活用する測定装置に依存しない（MDI）ランダムネス認証プロトコルを導入する。主な貢献は、測定装置が信頼できない状況でも、このようなエンタングル状態が依然として認証可能なランダムネスを生成できることを示したことであり、非局所状態に限らないより広い量子リソースの利用を可能にする。

ABSTRACT

Nonlocal correlations obtained from entangled quantum states are useful for device independent (DI) randomness certification [Nature (London) 464, 1021 (2010)]. The advantage of this DI protocol over the conventional quantum protocol is that even with untrusted experimental apparatus randomness can be certified. Although quantum entanglement is the necessary physical source for nonlocal correlation, these two are different concepts. There exist entangled states which produce no nonlocal correlation and hence are not useful for the DI randomness certification task. In this work we introduce measurement-device-independent randomness certification task and show that entangled states, having local description, can be useful resource in such task which otherwise are useless in corresponding DI scenario.

研究の動機と目的

• 装置独立型（DI）プロトコルにおいては非局所エンタングル状態しかランダムネスを認証できないという制限を解消する。これは、エンタングル状態がより広いリソースであるにもかかわらず、そのような制限があるためである。
• 従来のDI状況では無効であった、局所的記述が可能なエンタングル状態（非局所相関を示さない）が、緩い仮定のもとでランダムネス認証のリソースとして機能するかどうかを調査する。
• 測定装置の設定を信頼する必要がないようにすることで、測定装置の不完全性に対して耐性を持つ新しいプロトコルフレームワークを開発する。
• 局所的エンタングル状態は非局所的でないが、測定装置が信頼できない状況では依然として安全なランダムネス生成を可能にすることを示す。

提案手法

• 測定装置に依存しない（MDI）ランダムネス認証プロトコルを提唱し、ランダムネス認証を測定装置の信頼性とは分離する。
• プロトコルの入力リソースとして、局所的に記述可能な（すなわち、非局所相関を示さない）エンタングル状態を用いる。
• ランダムネスが測定装置の信頼性を必要としない方法で相関関係によって認証されるプロトコルを設計する。
• 非局所性ではなく、状態のエンタングル状態に依存する、変更されたランダムネス認証形式を適用する。
• 測定装置が信頼できない状況では、局所的エンタングル状態ですら、攻撃者に対して予測不能な相関関係を生じさせられることを活用する。
• 一般の盗聴攻撃に対して安全であることを保証するために、量子情報理論的ツールを用いてプロトコルを形式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定装置が信頼できない状況では、非局所性を示さないエンタングル状態でもランダムネスを認証するために使用可能か？
• RQ2 非局所性が欠如する状況で、エンタングル状態はランダムネス認証において果たす役割は何か？
• RQ3 非局所相関を必要としないが、装置独立型に類似したセキュリティを達成するランダムネス生成は可能か？
• RQ4 MDIフレームワークにおいて、局所的エンタングル状態のセキュリティとランダムネス生成能力は、非局所エンタングル状態と比べてどう異なるか？
• RQ5 測定装置に依存しない設定において、局所的エンタングル状態からランダムネスを認証するために必要な最小限の仮定は何か？

主な発見

• 非局所相関を生成できないため、従来の装置独立型ランダムネス認証では無効であった局所的に記述可能なエンタングル状態でも、測定装置が信頼できない状況では依然としてランダムネスを認証可能である。
• 提示された測定装置に依存しないプロトコルは、このような状態からのランダムネス認証に成功し、非局所性がなくてもエンタングル状態そのものが、緩い仮定のもとで十分なリソースであることを示している。
• 攻撃者が測定装置を制御しても、一般の盗聴攻撃に対してセキュリティを維持する。
• 本研究は、非局所状態に限らない量子リソースの利用を拡大し、相関関係が局所的実在論的である状態も含めた、より広いリソースの利用を可能にする。
• 測定装置が信頼できない場合、装置独立型ランダムネス認証における非局所性の要請を排除できることが示された。
• 本フレームワークは、非局所性が欠如してもエンタングル状態そのものがMDI条件下でランダムネス認証に十分であるという、新たなパラダイムを提供する。