[論文レビュー] Quantum Cryptography Using Einstein-Podolsky-Rosen Correlations of Continuous Variables

Jietai Jing, Qing Pan+2 more|ArXiv.org|Apr 19, 2002

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、明るい光ビームにおけるアインシュタイン＝ポドルスキー＝ローゼン（EPR）相関を用いた連続変数量子暗号方式を提案する。この方式では、鍵符号化に使用する一方のエンタングルドビームのみを送信し、もう一方のビームは受信者によって保持する。この方式は、量子雑音マスキングとEPR非局所性により100%の送信効率とセキュリティを達成し、非縮退光パラメトリック増幅器（NOPA）を用いた実験的妥当性が示された。

ABSTRACT

Quantum cryptography with the predetermined key was experimentally realized using Einstein-Podolsky-Rosen(EPR) correlations of continuously bright optical beams. Only one of two EPR correlated beams is transmitted with the signals modulated on quadrature phases and amplitudes, and the other one is retained by the authorized receiver. The modulated small signals are totally submerged in the large quantum noise of the signal beam, therefore nobody except the authorized receiver can decode the signals. Usability of imperfect quantum correlation, high transmission and detection efficiencies, and security provided by quantum mechanics are the favorable features of the presented scheme.

研究の動機と目的

• 離散的キュービットではなく連続変数を用いた実用的な量子鍵配布プロトコルの開発を目的とする。
• 単一光子に基づくQKDの限界、例えば低データレートや検出効率の低さを克服することを目的とする。
• 明るく古典的にアクセス可能なビームを用いても、量子レベルのセキュリティを維持した安全な通信を可能とすることを目的とする。
• 信号符号化がEPR相関ビームの量子雑音内に隠されていることを示すこと。
• 盗聴の試みに対して、量子相関モニタリングにより耐性を持つ堅牢で実験的に実現可能な方式を提供すること。

提案手法

• 非縮退光パラメトリック増幅器（NOPA）が、反相関の振幅正準座標と相関の位相正準座標を持つ明るいEPRビームを生成する。
• 信号ビーム（1つのEPRモード）のみがアリスに送信され、イジルビーム（もう一方のモード）はボブが保持する。
• アリスは、信号ビームの振幅および位相正準座標を高周波で変調することで、二進法の鍵ビットを符号化する。
• 変調された信号は、信号ビームの固有の量子雑音内に埋め込まれ、盗聴者には検出不可能になる。
• ボブは、保持されたイジルビームを用いて、正準座標の和と差の直接光電流検出により信号を復号する。
• セキュリティは、信号とイジルビーム間の信号対雑音比（SNR）および相関度のモニタリングにより検証される。これにより、不正な干渉が検出可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続変数光ビームにおけるEPR相関は、高い送信効率を実現する安全な量子鍵配布を可能にするか？
• RQ2 信号符号化を量子雑音内に埋め込むことで、盗聴者に検出不可能な状態にできるか？
• RQ3 量子雑音マスキングが、盗聴・再送攻撃および量子非破壊測定攻撃に対してセキュリティを保証する条件は何か？
• RQ4 EPRビーム間の相関およびSNRをモニタリングすることで、盗聴をどのように検出できるか？
• RQ5 損失や検出器の非効率性といった実験的不完全要因は、セキュリティを損なわずどの程度まで許容可能か？

主な発見

• 本方式は、ビットの破棄なしにすべての送信ビットが鍵生成に使用されるため、100%の送信効率を達成する。
• r > 0.27 の場合、信号ビームの量子雑音がEPR相関雑音を上回り、効果的な信号マスキングが可能になる。
• 光電流の和と差のルート・マンス・スクエア（rms）雑音電圧は、それぞれ568.64 μVおよび655.29 μVとして測定され、強い量子相関が確認された。
• 信号ビームを遮断した場合に強度揺動に反相関が存在しないことは、盗聴の兆候を示しており、盗聴の検出が可能である。
• イヴが偽のEPRビームを用いる試みは、ボブのステーションにおける偽のビームの揺動とイジルビームとの相関がないため、検出可能である。
• ハイゼンベルクの不確定性原理および量子揺動の複製不可能性のため、本プロトコルは量子非破壊測定に対して安全である。