[논문 리뷰] Continuous variable B92 quantum key distribution protocol using single photon added and subtracted coherent states

S. Srikara, Kishore Thapliyal외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 18.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 광자 첨가 및 제거된 코herent 상태(PASCS)를 사용하는 연속 변수 B92 양자 키 분배 프로토콜을 제안하며, 유무의 상태나 얽힘을 필요로 하지 않으면서도 무명의 상태 식별(USD) 공격 및 비커터 스플리터 공격에 대해 내재된 강건성을 확보한다. 이는 손실이 있는 채널에서 기존 이산 변수 B92 및 유사한 CV-QKD 프로토콜보다 보안성과 실용성 면에서 뛰어나며, 낮은 비트 오류율과 높은 키율을 보장한다.

ABSTRACT

In this paper, a continuous variable B92 quantum key distribution (QKD) protocol is proposed using single photon added and subtracted coherent states, which are prepared by adding and subsequently subtracting a single photon on a coherent state. It is established that in contrast to the traditional discrete variable B92 protocol, this protocol for QKD is intrinsically robust against the unambiguous state discrimination attack, which circumvents the requirement for any uninformative states or entanglement used in corresponding discrete variable case as a remedy for this attack. Further, it is shown that the proposed protocol is intrinsically robust against the eavesdropping strategies exploiting classical communication during basis reconciliation, such as beam splitter attack. Security against some individual attacks, key rate, and bit-error rate estimation for the proposed scheme are also provided. Specifically, the proposed scheme ensures very small bit-error rate due to properties of the states used. Thus, the proposed scheme is shown to be preferable over the corresponding discrete variable B92 protocol as well as some similar continuous variable quantum key distribution schemes.

연구 동기 및 목표

• 이산 변수 B92가 무명의 상태 식별(USD) 공격에 취약함을 해결하기 위해 연속 변수 B92 QKD 프로토콜을 개발하는 것.
• 이전의 DV 기반 솔루션에서 요구했던 무정보 상태나 얽힘 없이 B92 프로토콜을 보호하기 위한 방법을 제거하는 것.
• 기저 재결합 동안 고전적 통신을 악용하는 이브의 탐지 전략, 예를 들어 비커터 스플리터 공격에 대한 보안을 강화하는 것.
• 실용적인 연속 변수 상태인 PASCS를 사용하여 높은 키율과 낮은 비트 오류율을 달성하는 것.
• PASCS의 내재적 특성을 활용하여 기존의 CV-QKD 방식에 비해 더 안전하고 실용적인 대안을 제공하는 것.

제안 방법

• 정보를 인코딩하기 위해 단일 광자 첨가 및 제거된 코herent 상태(PASCS)를 양자 상태로 사용하며, 이는 코herent 상태에 광자를 한 개 첨가하고 나서 다시 제거하여 준비된다.
• 앨리스는 비트 값 0과 1에 해당하는 PASCS 상태를 준비하고 전송하며, 이는 비수직이고 한 쌍의 위상공간 분포에서 서로 다른 특성을 보이며, 한 쌍의 위상공간에서 한 쌍의 위상공간이 다른 쌍보다 우세한 영역을 가진다.
• 밥은 수신된 상태에서 동조 측정을 수행하고, 후처리 선택 임계값 ζc를 기준으로 유의미한 결과만 선택하여 유의미하지 않은 결과는 기각한다.
• 이 프로토콜은 이브가 무명의 상태 식별(USD)을 尝시도할 경우 진공 유사 신호가 발생하며, 이는 기대되는 신호 전력의 부재로 인해 백색으로 감지될 수 있음을 활용한다.
• 인터셉트-재전송 및 비커터 스플리터 공격에 대한 보안은 이브의 상태 식별 성공 확률 P_corr을 계산하여 분석하며, 낮은 P_corr은 탐지 가능성을 높인다.
• 키율과 비트 오류율은 위상공간 측정의 공동 확률 분포를 사용하여 추정하며, 고정된 비트 오류율 δ에 대해 코herent 진폭 α에 대한 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PASCS를 사용하는 연속 변수 B92 프로토콜을 구성할 수 있으며, 이는 무명의 상태 식별(USD) 공격에 대해 내재된 강건성을 가지는가?
• RQ2 제안된 프로토콜은 원래의 이산 변수 B92 프로토콜과 달리, USD 공격를 방지하기 위해 무정보 상태나 얽힘을 필요로 하지 않는가?
• RQ3 기저 재결합 중 고전적 통신을 악용하는 비커터 스플리터 공격에 대해 프로토콜은 어떻게 성능을 내는가?
• RQ4 PASCS를 사용하는 제안된 CV B92 방식의 구현 가능한 키율과 비트 오류율은 얼마인가?
• RQ5 추가적인 고전적 통신을 통한 재결합이 없이도 개별 공격에 대해 낮은 비트 오류율과 높은 보안성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 PASCS를 사용하는 CV B92 프로토콜은 이브의 유의미하지 않은 측정 결과가 진공 유사 신호로 나타나며, 이는 기대되는 신호 전력의 부재로 인해 백색으로 감지될 수 있기 때문에 무명의 상태 식별(USD) 공격에 대해 내재된 강건성을 가진다.
• 이전의 이산 변수 기반 B92 수정 방식과 달리, 이 프로토콜은 USD 공격를 방지하기 위해 무정보 상태나 얽힘을 필요로 하지 않으며, 이는 실현의 단순화에 기여한다.
• 기저 재결합 중 고전적 통신을 악용하는 비커터 스플리터 공격에 대해서도 프로토콜은 강건하며, 이브가 정확한 상태를 신뢰성 있게 추론하지 못하고도 감지 가능한 교란을 유도하기 때문이다.
• PASCS 상태의 위상공간 분포가 뚜렷하게 다름에 따라 겹침이 최소화되고 상태 식별성이 향상되어 비트 오류율이 매우 낮다.
• 키율은 여전히 높으며, 유사한 CV-QKD 방식과 비교해도 유사하거나 더 낫게 추정되며, 개별 공격, 즉 인터셉트-재전송 및 동시에 두 위상공간 측정에 대해 보안이 확립되어 있다.
• 이브의 상태 식별 성공 확률 P_corr이 최소화되어 탐지 가능성은 증가하며, 이는 전체 프로토콜의 보안성을 향상시킨다.