[논문 리뷰] Measurement-device-independent QSDC protocol using Bell and GHZ states on quantum simulator

Arunaday Gupta, Bikash K. Behera외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 01.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 IBM Quantum Experience 플랫폼에 구현된 벨 및 GHZ 얽힘 상태를 사용하여 측정 장치에 독립적인 양자 보안 직접 통신(MDI-QSDC) 프로토콜을 제안한다. 얽힘 스왑 및 제3자 측정 모델을 활용하여 측정 장치 공격에 대해 보안을 확보하고, 키 분배 없이도 직접적으로 비밀 메시지를 전송할 수 있도록 하며, 양자 회로 시뮬레이션과 내적 곱 기반의 도청 탐지 방식으로 검증된다.

ABSTRACT

Secure cryptographic protocols are indispensable for modern communication systems. It is realized through an encryption process in cryptography. In quantum cryptography, Quantum Key Distribution (QKD) is a widely popular quantum communication scheme that enables two parties to establish a shared secret key that can be used to encrypt and decrypt messages. But security loopholes still exist in this cryptographic protocol, as an eavesdropper can in principle still intercept all the ciphertext to perform cryptanalysis and the key may get leaked to the eavesdropper, although it happens very rarely. However, there exists a more secure quantum cryptographic scheme known as Quantum Secure Direct Communication (QSDC) protocol that eliminates the necessity of key, encryption and ciphertext transmission. It is a unique quantum communication scheme where secret information is transmitted directly over a quantum communication channel. We make use of measurement-device-independent (MDI) protocol in this scheme where all the measurements of quantum states during communication are performed by a third party that can be untrusted or even an eavesdropper. This eliminates all loopholes in practical measurement devices. Here, we realize this MDI-QSDC protocol using Bell and GHZ states in the IBM Quantum Experience platform and implement swapping circuits for security check.

연구 동기 및 목표

• 키 분배나 암호문 전송 없이도 키 분배가 필요 없는 안전한 양자 통신 프로토콜을 개발하는 것.
• 측정 장치의 비완전성으로 인한 실용적 양자 통신 시스템의 보안 취약점을 해결하는 것.
• 실제 양자 플랫폼에서 벨 및 GHZ 얽힘 상태를 사용하여 측정 장치에 독립적인(MDI) QSDC 프로토콜을 구현하는 것.
• 양자 회로 시뮬레이션과 내적 곱 기반의 도청 탐지 방식을 통해 프로토콜의 보안성을 검증하는 것.
• IBM Quantum Experience에서 얽힘 스왑 및 슈퍼다이너식 코딩을 활용하여 직접적이고 안전한 메시지 전송의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 프로토콜은 앨리스와 보브 사이의 안전한 통신을 위해 벨 및 GHZ 상태를 얽힘 자원 상태로 사용한다.
• 제3자(찰리)의 벨 기저 측정을 통해 얽힘 스왑이 적용되어 앨리스의 큐비트와 보브의 큐비트가 얽힘 상태가 된다.
• 내적 곱을 계산하기 위한 스왑 회로를 구현하여 도청 시도를 탐지한다.
• 메시지를 인코딩하기 위해 앨리스의 큐비트에 Z 게이트 연산을 적용하여 슈퍼다이너식 코딩을 통해 직접 전송을 가능하게 한다.
• 찰리가 제3자 큐비트에 대해 GHZ 기저 측정을 수행하여 상태를 붕괴시키고 인코딩된 메시지를 드러낸다.
• 실제 양자 회로와 히스토그램 기반 상태 검증 방식을 사용하여 IBM Quantum Experience 플랫폼에서 프로토콜를 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 양자 플랫폼에서 벨 및 GHZ 얽힘 상태를 사용하여 측정 장치에 독립적인 QSDC 프로토콜을 효과적으로 구현할 수 있는가?
• RQ2 어떻게 얽힘 스왑을 활용하여 장치 독립적인 방식으로 원거리 큐비트를 안전하게 연결할 수 있는가?
• RQ3 내적 곱 기반의 스왑 회로는 실용적인 QSDC 환경에서 도청을 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?
• RQ4 모의 환경에서 측정 장치 공격에 대해 프로토콜가 얼마나 잘 보호되는가?
• RQ5 슈퍼다이너식 코딩은 MDI-QSDC 프레임워크에 어떻게 통합되어 직접 메시지 전송을 가능하게 하는가?

주요 결과

• MDI-QSDC 프로토콜은 키 분배나 암호문 전송 없이도 직접적이고 안전한 비밀 메시지 전송을 성공적으로 구현한다.
• 벨 상태와 GHZ 상태 간의 얽힘 스왑은 앨리스와 보브 사이의 원거리 얽힘을 유도하며, 양자 회로 시뮬레이션을 통해 검증된다.
• 스왑 회로를 통한 내적 곱 계산은 도청 시도를 효과적으로 탐지하며, 도청이 발생하지 않았을 경우에 명백한 편차가 없음을 시사한다.
• IBM Quantum Experience에서의 히스토그램 플롯은 보브가 슈퍼다이너식 코딩을 통해 전송된 메시지를 정확히 복호화했음을 확인한다. 이는 프로토콜의 기능성을 검증한다.
• 모든 측정 작업을 신뢰할 수 없는 제3자(찰리)에게 위임함으로써 프로토콜는 측정 장치 공격에 대한 면역성을 보여준다.
• IBM Quantum Experience에서의 구현은 표준 양자 게이트와 측정 프로토콜을 사용하여 MDI-QSDC의 실현 가능성을 확인한다.