[論文レビュー] Repeatable classical one-time-pad crypto-system with quantum mechanics

Fu‐Guo Deng, Gui‐Lu Long|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、単一光子の量子状態を用いて、再現可能な古典的ワンタイムパッド暗号方式を提案する。量子力学を活用することで、盗聴が検出可能となり、安全に鍵を再利用可能となる。メッセージは準備された量子ビットにユニタリ操作で符号化され、量子非複製性と測定崩壊の性質を活かすことで、盗聴が検出可能となり、同じ古典的鍵を複数回の送信に安全に再利用できる。

ABSTRACT

Classical one-time-pad key can only be used once. We show in this Letter that with quantum mechanical information media classical one-time-pad key can be repeatedly used. We propose a specific realization using single photons. The reason why quantum mechanics can make the classical one-time-pad key repeatable is that quantum states can not be cloned and eavesdropping can be detected by the legitimate users. This represents a significant difference between classical cryptography and quantum cryptography and provides a new tool in designing quantum communication protocols and flexibility in practical applications. Note added: This work was submitted to PRL as LU9745 on 29 July 2004, and the decision was returned on 11 November 2004, which advised us to resubmit to some specialized journal, probably, PRA, after revision. We publish it here in memory of Prof. Fu-Guo Deng (1975.11.12-2019.1.18), from Beijing Normal University, who died on Jan 18, 2019 after two years heroic fight with pancreatic cancer. In this work, we designed a protocol to repeatedly use a classical one-time-pad key to transmit ciphertext using single photon states. The essential idea was proposed in November 1982, by Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Seth Breidbart, which was rejected by Fifteenth Annual ACM Symposium on Theory of Computing, and remained unpublished until 2014, when they published the article, Quantum Cryptography II: How to re-use a one-time pad safely even if P=NP, Natural Computing (2014) 13:453-458, DOI 10.1007/s11047-014-9453-6. We worked out this idea independently. This work has not been published, and was in cooperated into quant-ph 0706.3791 (Kai Wen, Fu Guo Deng, Gui Lu Long, Secure Reusable Base-String in Quantum Key Distribution), and quant-ph 0711.1632 (Kai Wen, Fu-Guo Deng, Gui Lu Long, Reusable Vernam Cipher with Quantum Media).

研究の動機と目的

• 古典暗号における根本的制限、すなわちワンタイムパッド鍵を一度しか使用できないという制限を克服すること。
• 絶対的安全性を維持しつつ、古典的ワンタイムパッド鍵の繰り返し使用を可能にするプロトコルを開発すること。
• 非複製性や測定崩壊といった量子力学的性質を活用し、盗聴を検出することで鍵の再利用を可能にすること。
• 古典的ワンタイムパッドの安全性と量子情報キャリアを組み合わせた、実用的で柔軟な量子通信プロトコルフレームワークを提供すること。

提案手法

• 共有された長さ2Nの古典的鍵に従い、|0⟩、|1⟩、|+⟩、|−⟩状態に準備された単一光子を用いる。
• ユニタリ操作による秘密メッセージの符号化：ビット0には恒等操作（I）、ビット1にはパウリ-Y（σy）を準備された光子に適用する。
• 符号化された光子を量子チャネルを介して送信し、盗聴の試みが量子状態を撹乱し、検出可能となる。
• 送信後、受信者は正しい基底で測定し、両者が公開して基底選択を確認することでチャネルの安全性を検証する。
• 公開発表後に基底系列（MS）を破棄し、鍵漏洩を防ぎつつ、将来的な送信に同じ古典的鍵を再利用する。
• 誤り訂正およびプライバシー強化技術を用いて、ノイズの影響を軽減し、盗聴者への情報漏洩を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的ワンタイムパッド鍵を、量子通信フレームワーク内で安全に再利用できるか？
• RQ2 量子力学的性質が盗聴検出を可能にし、セキュリティを損なわずに鍵の再利用を可能にする仕組みは何か？
• RQ3 この繰り返し可能なシステムにおいて、盗聴者が鍵について得られる最大情報量は、標準的なBB84 QKDと比較してどの程度か？
• RQ4 単一光子源を必要とせず、誤り訂正符号を用いることでこのプロトコルを実装できるか？
• RQ5 このシステムにおける量子チャネルの誤り率と盗聴者への情報漏洩の関係は何か？

主な発見

• 盗聴の検出が量子力学的に可能であるため、単一光子を介した古典的ワンタイムパッド鍵は、複数回にわたり安全に再利用可能である。
• Eveの測定基底に関する相互情報量（I′AE）は、BB84 QKDより厳密に小さい。誤り率Dm ≤ 0.05のとき、I′AE < 0.41である。
• Eveが事前にメッセージを知っていたとしても、量子状態を正しい基底で測定しなければ鍵を抽出できないため、完全な機密性が保証される。
• 量子非複製性と測定崩壊の性質により、絶対的安全性が達成され、安全なチャネル条件下で鍵の再利用が可能となる。
• 低ノイズ条件下でも安定しており、理想的な単一光子源がなくても誤り訂正符号を用いて実装可能である。
• 量子メモリを必要とせず、一方通行の送信が可能であり、二方向量子ワンタイムパッドプロトコルに比べて優位性を示す。