[논문 리뷰] Measurement-device-independent randomness certification by \emph{local} entangled states

Manik Banik|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 07.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 8인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 측정 장치에 신뢰를 두지 않아도 되는 측정 장치에 독립적(MDI)인 랜덤성 인증 프로토콜을 소개한다. 이 프로토콜은 이전에는 장치 독립적(DI) 상황에서 효과적이지 않았던 국소적으로 기술 가능한 얽힌 상태를 활용한다. 핵심 기여는 측정 장치가 신뢰할 수 없을 경우에도 이러한 얽힌 상태가 여전히 인증 가능한 랜덤성을 생성할 수 있음을 보여주는 것이다. 이는 비국소 상태 이외의 얽힌 자원을 사용할 수 있는 범위를 넓힌다.

ABSTRACT

Nonlocal correlations obtained from entangled quantum states are useful for device independent (DI) randomness certification [Nature (London) 464, 1021 (2010)]. The advantage of this DI protocol over the conventional quantum protocol is that even with untrusted experimental apparatus randomness can be certified. Although quantum entanglement is the necessary physical source for nonlocal correlation, these two are different concepts. There exist entangled states which produce no nonlocal correlation and hence are not useful for the DI randomness certification task. In this work we introduce measurement-device-independent randomness certification task and show that entangled states, having local description, can be useful resource in such task which otherwise are useless in corresponding DI scenario.

연구 동기 및 목표

• 장치 독립적(DI) 프로토콜에서 랜덤성을 인증할 수 있는 것은 비국소 얽힌 상태뿐이라는 한계를 해결하고자 한다. 이는 얽힘이 더 넓은 자원임에도 불구하고 그렇기 때문이다.
• 이전에는 DI 상황에서 무용지물로 여겨졌던 국소적 기술이 가능한 얽힌 상태—즉, 비국소 상관관계를 보이지 않는 상태—가 약화된 가정 하에 여전히 랜덤성 인증 자원으로 쓰일 수 있는지 조사하고자 한다.
• 측정 장치 설정에 대한 신뢰가 필요 없도록 함으로써 측정 장치의 비완전성에 강건한 새로운 프로토콜 프레임워크를 개발하고자 한다.
• 국소적으로 얽힌 상태는 비국소적이지 않지만, 측정 장치가 신뢰할 수 없을 경우에도 여전히 안전한 랜덤성 생성을 가능하게 한다는 것을 보여주고자 한다.

제안 방법

• 측정 장치의 신뢰성에 의존하지 않는 측정 장치에 독립적(MDI)인 랜덤성 인증 프로토콜을 제안하여, 랜덤성 인증을 측정 장치의 신뢰성과 분리한다.
• 이 프로토콜의 입력 자원으로 국소적으로 기술 가능한 얽힌 상태(즉, 비국소 상관관계를 보이지 않는 상태)를 사용한다.
• 랜덤성이 측정 장치의 신뢰성에 의존하지 않는 방식으로 측정된 상관관계를 통해 인증되는 프로토콜을 설계한다.
• 비국소성보다는 상태의 얽힘에 기반한 수정된 형태의 랜덤성 인증을 적용한다.
• 측정 장치가 신뢰할 수 없을 경우에도 국소적 얽힘이 여전히 공격자에게 예측 불가능한 상관관계를 유도할 수 있음을 활용한다.
• 일반적인 탈선 공격 전략에 대비한 보안성을 확보하기 위해 양자 정보 이론 도구를 사용해 프로토콜을 체계화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정 장치가 신뢰할 수 없을 경우 비국소성을 보이지 않는 얽힌 상태도 여전히 랜덤성 인증에 사용될 수 있는가?
• RQ2 비국소성이 없는 상황에서 랜덤성 인증에 얽힘이 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 비국소 상관관계가 필요 없이 장치 독립적과 유사한 보안을 확보할 수 있는가?
• RQ4 MDI 프레임워크 내에서 국소적으로 얽힌 상태의 보안성과 랜덤성 생성 능력은 비국소 얽힌 상태와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 측정 장치에 독립적인 환경에서 국소적으로 얽힌 상태로부터 랜덤성을 인증하기 위해 필요한 최소한의 가정은 무엇인가?

주요 결과

• 비국소 상관관계를 생성할 수 없고, 따라서 기존 장치 독립적 랜덤성 인증에서는 무용지물로 여겨졌던 국소적으로 기술 가능한 얽힌 상태도, 측정 장치가 신뢰할 수 없을 경우 여전히 랜덤성 인증에 사용될 수 있다.
• 제안된 측정 장치에 독립적 프로토콜은 이러한 상태로부터 랜덤성을 성공적으로 인증하며, 비국소성이 없더라도 얽힘 자체만으로도 약화된 가정 하에 충분한 자원이 될 수 있음을 보여준다.
• 측정 장치가 공격자에 의해 제어되더라도 일반적인 탈선 공격에 대비한 보안성이 유지된다.
• 이 연구는 비국소 상태 이외의 양자 자원을 사용할 수 있는 범위를 넓히며, 상관관계가 국소적으로 실현 가능한 상태까지 포함한다.
• 측정 장치가 신뢰할 수 없을 경우 장치 독립적 랜덤성 인증에서 비국소성의 필요성을 제거할 수 있음을 보여준다.
• 이 프레임워크는 비국소성이 없더라도 얽힘이 충분히 랜덤성 인증에 쓰일 수 있음을 보여주는 새로운 범주를 제공한다. MDI 조건 하에서 이는 얽힘이 충분한 자원이 될 수 있음을 의미한다.