[論文レビュー] Quantum Secure Direct Communication with Mutual Authentication using a Single Basis

Nayana Das, Goutam Paul+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 62被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、もつれを必要とせず、単一の正規直交基底における単一キュービット状態のみを用いて、一方向かつ一回限りの秘密メッセージ送信を可能にする新しい量子安全直接通信（QSDC）プロトコルを提案する。プロトコルは共有IDを用いた相互認証を統合し、近位の量子デバイスにおけるノイズに対して頑健である。3キュービットの繰り返し符号により、350個のアイデンティティゲート以下のチャネルで信頼性の高い送信が保証される。

ABSTRACT

In this paper, we propose a new theoretical scheme for quantum secure direct communication (QSDC) with user authentication. Different from the previous QSDC protocols, the present protocol uses only one orthogonal basis of single-qubit states to encode the secret message. Moreover, this is a one-time and one-way communication protocol, which uses qubits prepared in a randomly chosen arbitrary basis, to transmit the secret message. We discuss the security of the proposed protocol against some common attacks and show that no eaves-dropper can get any information from the quantum and classical channels. We have also studied the performance of this protocol under realistic device noise. We have executed the protocol in IBMQ Armonk device and proposed a repetition code based protection scheme that requires minimal overhead.

研究の動機と目的

• 複数の基底を用いる方式と比較して実装を簡素化するため、符号化にのみ1つの正規直交基底を用いるQSDCプロトコルの設計。
• もつれを用いずに送信者と受信者の間で相互認証を統合すること。
• 実際の量子ハードウェアにおけるノイズ、特にデ coherent とゲート誤りに対するプロトコルの耐性を評価すること。
• 近位のノイジー中規模量子（NISQ）デバイスに適した最小限のオーバーヘッド誤り訂正スキームの提案。
• IBMQ Armonk量子プロセッサ上でプロトコルの実現可能性と性能を実証すること。

提案手法

• 秘密メッセージを|0⟩または|1⟩状態にある単一キュービットに、任意の正規直交基底（角度θで定義）を用いて符号化する。
• 基底を選択するためのユニタリ変換Uθを用い、盗聴者が事前に知識を持たない限り基底を特定できないようにする。
• 計算基底とアダマール基底を用いて、アダマール基底に符号化された補助キュービット列に送信者および受信者のIDを統合して相互認証を実現する。
• 盗聴を検出するために、ランダムに挿入されたチェックビットを用いたセキュリティチェックを実施し、アリスが公開して位置と値を明らかにする。
• ノイズによるビット反転誤りを是正するために3キュービットの繰り返し符号を適用し、チャネル長が350個のアイデンティティゲート未満の場合にのみ適用する。
• IBMQ Armonk上でプロトコルを実行し、有限の伝送時間を模擬するため、量子チャネルをアイデンティティゲートのシーケンスとしてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もつれを必要とせず、単一のキュービット状態の1つの基底のみを用いて、絶対的安全性と相互認証を達成できるQSDCプロトコルは可能か？
• RQ2 基底の角度θの選択が、ノイズのある量子環境下でのプロトコルの性能に与える影響は何か？
• RQ3 チャネル長（アイデンティティゲートの数）が、実際のノイジーなデバイスにおけるメッセージ送信の成功確率に与える影響は何か？
• RQ4 特に3キュービットの繰り返し符号という最小限のオーバーヘッド誤り訂正スキームが、NISQデバイスにおけるノイズに対して効果的にプロトコルを保護できるか？
• RQ5 3キュービットの繰り返し符号が信頼性ある送信を維持できなくなる、臨界となるチャネル長の閾値は何か？

主な発見

• 全テスト角度において|0⟩および|1⟩状態の両方で成功確率が0.9以上を達成し、θに依存する顕著な性能差は認められない。
• |1⟩キュービットの送信は|0⟩と比較して誤りにさらされやすく、T1緩和の影響により|1⟩の平均成功確率が低くなる。
• 有効な誤り率は(1 - perror)^γnとモデル化され、|0⟩ではγ ≈ 0.18、|1⟩ではγ ≈ 0.21であり、|1⟩状態のほうが感度が高いことが示唆される。
• ランダムな基底選択とチェックビットの検証により、盗聴と再送攻撃、サービス拒否攻撃に対してもプロトコルは安全である。
• チャネル長が約350個のアイデンティティゲート未満であれば、3キュービットの繰り返し符号が信頼性の高い送信を維持するのに十分である。
• 単一キュービット操作のみを必要とし、複雑な論理キュービットの準備が不要なことから、近位の量子デバイスに対して実用的で頑健である。