[論文レビュー] Security flaw of counterfactual quantum cryptography in practical setting

Yanbing Li, Qiaoyan Wen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、実用的な高損失チャネル条件下における対向量子暗号の重大なセキュリティ欠陥を特定している。偏光分解測定攻撃により、片方向チャネル損失が50%を超えると、盗聴者（Eve）が完全な秘密鍵を抽出可能であり、正当な参加者にとって通常のチャネル損失と区別がつかないため、プロトコルは実際には不安全である。

ABSTRACT

Recently, counterfactual quantum cryptography proposed by T. G. Noh [Phys. Rev. Lett. 103, 230501 (2009)] becomes an interesting direction in quantum cryptography, and has been realized by some researchers (such as Y. Liu et al's [Phys. Rev. Lett. 109, 030501 (2012)]). However, we find out that it is insecure in practical high lossy channel setting. We analyze the secret key rates in lossy channel under a polarization-splitting-measurement attack. Analysis indicates that the protocol is insecure when the loss rate of the one-way channel exceeds $50%$.

研究の動機と目的

• 長距離ファイバー通信に一般的な実用的高損失環境下における対向量子鍵配送（QKD）のセキュリティを調査すること。
• 片方向損失が50%を超える現実的なチャネル損失条件下でプロトコルに生じる脆弱性を特定すること。
• このような損失環境下でも、盗聴に対してプロトコルが依然として安全であるかを分析すること。
• 新たな偏光分解測定攻撃戦略に基づく秘密鍵レートを評価すること。
• 攻撃が正当な参加者（AliceとBob）によって検出可能かどうか、または通常のチャネル損失を模倣するかを検討すること。

提案手法

• ビームスプリッターと干渉計セットアップを用いて、水平および垂直偏光状態を表す量子状態 |φ₀⟩ と |φ₁⟩ を用いた対向QKDプロトコルのモデル化。
• Eveが経路bの光子の偏光をインターセプトして測定する偏光分解測定攻撃の導入。ビームスプリッターと偏光ビームスプリッターを用いて情報抽出を実現。
• AliceとBob間の相互情報量 I(A;B) および、Eveと各参加者間の相互情報量 I(E;A)、I(E;B) を分析し、秘密鍵レートを計算。
• 秘密分率 r∞ = I(A;B) − min(I(E;A), I(E;B)) および秘密鍵レート RQKD = Rraw × r∞ を導出。ここで、Rraw = (1 + 2η − η²)/8 は生の鍵レート。
• 対称的ビームスプリッターを用いて R = T = 1/2 と設定し、損失率 η を 0 から 1 の範囲で鍵レートを評価。
• 特に η ≥ 0.5 の領域に注目し、異なる損失領域における相互情報量および秘密分率の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離ファイバー通信に一般的な高損失チャネル条件下において、対向量子暗号は安全か？
• RQ2 盗聴者がチャネル損失を悪用して、検出可能な誤りを引き起こさずに秘密鍵を抽出可能か？
• RQ3 損失が50%を超える場合、偏光分解測定攻撃が非ゼロの秘密鍵レートを生じるか？
• RQ4 攻撃の影響は、AliceとBobにとって通常のチャネル損失と区別可能か？
• RQ5 この攻撃モデル下で、秘密鍵レートはチャネル損失の関数としてどのように変化するか？

主な発見

• チャネル損失率 η が50%を超えると、秘密鍵レート RQKD がゼロに低下し、その条件下では完全に不安全であることを示している。
• η ≥ 0.5 の場合、秘密分率 r∞ がゼロになるため、Eveは検出されずに鍵の完全な情報を入手可能である。
• 攻撃は通常のチャネル損失を模倣するため、AliceとBobにとって見えず、盗聴の影響が物理的損失と区別がつかない。
• η = 1/3 のとき、相互情報量 I(E;B) は最小値0に達するが、この値から逸脱するごとに増加し、Eveの情報取得が非単調的であることを示している。
• 生の鍵レート Rraw は η に伴い増加するが、秘密鍵レート RQKD は単調に減少し、η ≥ 0.5 でゼロに達する。
• 長距離ファイバーQKDシステム（例：15 kmで約3 dB損失、すなわち約50%損失）では、この攻撃によりプロトコルは完全に侵害される。