[논문 리뷰] Repeatable classical one-time-pad crypto-system with quantum mechanics

Fu‐Guo Deng, Gui‐Lu Long|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 12.

Quantum Computing Algorithms and Architecture참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 광자 양자 상태를 사용하여 재현 가능한 고전적 원장지 암호체계를 제안하며, 양자역학을 통해 무조건적 보안을 확보하면서도 키 재사용이 가능하다. 메시지를 준비된 큐비트에 유니터리 연산을 통해 인코딩하고, 양자 비복제 원리와 측정 붕괴를 활용함으로써 도청이 탐지 가능해지며, 이로 인해 동일한 고전적 키를 보안을 해치지 않고 여러 번 전송에 재사용할 수 있다.

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Brassard, Seth Breidbart, which was rejected by Fifteenth Annual ACM Symposium on Theory of Computing, and remained unpublished until 2014, when they published the article, Quantum Cryptography II: How to re-use a one-time pad safely even if P=NP, Natural Computing (2014) 13:453-458,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).

연구 동기 및 목표

• 원장지 키가 한 번만 사용될 수밖에 없는 고전 암호화의 근본적 한계를 극복하기 위해.
• 무조건적 보안을 유지하면서도 고전적 원장지 키를 반복 사용할 수 있는 프로토콜을 개발하기 위해.
• 비복제 원리와 측정 붕괴와 같은 양자역학적 성질을 활용하여 도청을 탐지하고 키 재사용을 가능하게 하기 위해.
• 고전적 원장지 보안과 양자 정보 실체를 융합한 실용적이고 유연한 양자 통신 프로토콜 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 공유된 길이 2N의 고전적 키에 따라 준비된 |0⟩, |1⟩, |+⟩, 또는 |−⟩ 상태의 단일 광자를 사용한다.
• 비밀 메시지를 유니터리 연산을 통해 인코딩한다: 비트 0에 대해 항등 연산(I), 비트 1에 대해 파울리-Y(σy)를 준비된 광자에 적용한다.
• 암호화된 광자를 양자 채널을 통해 전송하며, 도청 시도는 양자 상태를 교란하여 탐지 가능하다.
• 전송 후 수신자는 올바른 기저에서 측정하고, 양 당사자가 공개적으로 기저 선택을 공개하여 채널 보안성을 검증한다.
• 공개 공개 이후 기저 시퀀스(MS)를 기각하여 키 泄露를 방지하고, 향후 전송에 동일한 고전적 키를 재사용한다.
• 노이즈를 완화하고 도청자에게 정보 泄露를 줄이기 위해 오류 수정 및 비밀성 강화 기법을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 원장지 키를 양자 통신 프레임워크 내에서 안전하게 재사용할 수 있는가?
• RQ2 양자역학은 어떻게 도청 탐지를 가능하게 하여 보안을 해치지 않고 키 재사용을 가능하게 하는가?
• RQ3 이 반복 가능한 시스템에서 도청자(에브)가 키에 대해 최대한의 정보를 확보할 수 있는가? 표준 BB84 QKD와 비교해 설명하라.
• RQ4 이 프로토콜은 단일 광자 원천 없이 오류 수정 코드를 사용하여 구현할 수 있는가?
• RQ5 이 시스템에서 양자 채널의 오차율과 도청자에게의 정보 泄露 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 도청 탐지 기능이 양자역학적으로 구현된 덕분에 단일 광자를 통해 전송되는 고전적 원장지 키는 여러 차례 안전하게 재사용 가능하다.
• 에브의 측정 기저에 대한 상호정보량(I′AE)은 BB84 QKD보다 엄격히 작으며, 오차율 Dm ≤ 0.05일 경우 I′AE < 0.41이다.
• 에브가 메시지를 사전에 알고 있더라도, 올바른 기저에서 양자 상태를 측정하지 못하면 키를 추출할 수 없기 때문에 시스템은 완벽한 비밀보장성을 확보한다.
• 비복제 원리와 측정 붕괴를 통해 무조건적 보안을 달성하며, 안전한 채널 조건 하에서 키 재사용이 가능하다.
• 낮은 노이즈 조건에서 안정적이며, 이상적인 단일 광자 원천이 없더라도 오류 수정 코드를 통해 구현이 가능하다.
• 양자 메모리가 필요로 하지 않으며 일방향 전송이 가능하므로, 양자 원장지 키를 양방향으로 전송하는 기존 프로토콜에 비해 우수한 성능을 발휘한다.