[論文レビュー] Postselection Strategies for Continuous-Variable Quantum Key Distribution Protocols with Quadrature Phase-Shift Keying Modulation

Florian Kanitschar, Christoph Pacher|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 23被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、四元位相シフトキーイング変調を用いた連続変数量子鍵配送（CV-QKD）におけるクロス型の事後選別戦略を提案し、長距離および高ノイズ条件下でも安全鍵レートを顕著に向上させている。数値的セキュリティ証明を用いて、生データの80%を破棄しても、非事後選別ケースの80%以上の鍵レートを達成できることを示しており、信頼できるおよび信頼できない検出器モデルの両方で、径方向事後選別を上回っている。

ABSTRACT

We use a recent numerical security proof technique to analyse three different postselection strategies for continuous-variable quantum key distribution protocols (CV-QKD) with quadrature phase-shift keying modulation. For all postselection strategies studied we provide novel analytical results for the operators that define the respective regions in phase space. In both, the untrusted and trusted detector model, a new, cross-shaped postselection strategy, clearly outperforms a state-of-the-art radial postselection scheme for higher transmission distances and higher values of noise. Motivated by the high computational effort for the error-correction phase we also studied the case when a large fraction of the raw key is eliminated by postselection: We observe that the secure key rate in case that only $20\%$ of the raw key passes the cross-shaped postselection is still roughly $80\%$ of the secure key rate without postselection for low values of excess noise and roughly $95\%$ for higher values of excess noise. Furthermore, we examine a strategy with radial and angular postselection that combines both the advantages of state-of-the-art radial postselection schemes and our cross-shaped strategy at the cost of higher complexity. Employing the cross-shaped postselection strategy, that can easily be introduced in the data processing, both new and existing CV-QKD systems can improve the achievable secure key rates significantly.

研究の動機と目的

• 連続変数量子鍵配送（CV-QKD）における四元位相シフトキーイング（QPSK）変調を用いた事後選別戦略の分析と改善。
• 高過剰ノイズおよび長距離伝送を含む現実的状況下での、さまざまな事後選別戦略の性能評価。
• 誤り訂正の計算コストを削減するため、効果的な事後選別により処理対象となる生鍵量を最小限に抑える。
• 既存および新規のCV-QKDシステムにおける安全鍵レートを向上させる、実用的で容易に実装可能な事後選別手法の特定。

提案手法

• 著者らは、最近開発された数値的セキュリティ証明技術を用いて、信頼できるおよび信頼できない検出器モデルの両方で、3つの事後選別戦略を分析した。
• クロス型および径方向事後選別領域を定義する位相空間演算子の新しい解析的表現を導出した。
• クロス型戦略は、情報抽出を最大化すると同時にノイズへの影響を最小限に抑えるために、位相空間の特定の領域を標的とするように設計された。
• 径方向とクロス型手法の利点を組み合わせるため、ハイブリッド径方向・角度事後選別戦略を導入したが、実装の複雑性が増加する。
• 過剰ノイズおよび伝送距離の異なる条件下で性能を評価し、安全鍵レートと計算負荷に注目した。
• 特に、生鍵の20%しか残らない状況での、事後選別効率と鍵レートのトレードオフを定量的に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高過剰ノイズおよび長距離条件下で、クロス型事後選別戦略は径方向事後選別と比較して、安全鍵レートにおいてどのように差をつけるか？
• RQ2 過剰ノイズが存在する中で、生鍵の20%しか事後選別を通さない場合、最終的な安全鍵レートにどのような影響を与えるか？
• RQ3 ハイブリッド径方向・角度事後選別戦略は、径方向およびクロス型手法の利点を組み合わせつつ、実用的であると言えるか？
• RQ4 クロス型手法のような積極的な事後選別戦略を用いる場合、誤り訂正の計算コストはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 既存のCV-QKDシステムは、ハードウェア変更なしでクロス型事後選別戦略を実装することで、どの程度の恩恵を受けることができるか？

主な発見

• クロス型事後選別戦略は、信頼できるおよび信頼できない検出器モデルの両方で、特に高伝送距離および高過剰ノイズ条件下で、径方向事後選別を上回る性能を示した。
• 生鍵の20%しかクロス型事後選別を通らない場合でも、低過剰ノイズ条件下では安全鍵レートが非事後選別ケースの約80%に保たれ、高い安定性を示した。
• 過剰ノイズレベルが高くなると、20%の事後選別後も安全鍵レートは非事後選別レートの約95%を維持し、ノイズに対して強い耐性を示した。
• ハイブリッド径方向・角度事後選別戦略は、径方向およびクロス型手法の利点を効果的に組み合わせたが、実装の複雑性が増加した。
• クロス型戦略は、既存および新規のCV-QKDシステムに容易に統合可能であり、ハードウェア変更なしに顕著な安全鍵レートの向上を実現できる。