[논문 리뷰] Sharing classical secrets with continuous-variable entanglement: Composable security and network coding advantage

Nathan Walk, Jens Eisert|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 21.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 103인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 유한 크기 영역에서 구성 가능한 보안성을 확보하는 연속 변수 그래프 상태 기반 비밀 공유 프로토콜을 제안하며, 손실이 발생하는 병목 네트워크에서 점대점 QKD보다 성능상의 이점을 보여준다. 다중 부분 간 얽힘은 현실적인 실험 조건 하에서 이원 간 얽힘 QKD보다 더 높은 비밀 키율을 가능하게 함을 입증하며, 양자 네트워크 통신에서 구체적인 이점을 제공한다.

ABSTRACT

Secret sharing is a multi-party cryptographic primitive that can be applied to a network of partially distrustful parties for encrypting data that is both sensitive (it must remain secure) and important (it must not be lost or destroyed). When sharing classical secrets (as opposed to quantum states), one can distinguish between protocols that leverage bi-partite quantum key distribution (QKD) and those that exploit multi-partite entanglement. The latter class are known to be vulnerable to so-called participant attacks and, while progress has been made recently, there is currently no analysis that quantifies their performance in the composable, finite-size regime which has become the gold standard for QKD security. Given this - and the fact that distributing multi-partite entanglement is typically challenging - one might well ask: Is there any virtue in pursuing multi-partite entanglement based schemes? Here, we answer this question in the affirmative for a class of secret sharing protocols based on continuous variable graph states. We establish security in a composable framework and identify a network topology, specifically a bottleneck network of lossy channels, and parameter regimes within the reach of present day experiments for which a multi-partite scheme outperforms the corresponding QKD based method in the asymptotic and finite-size setting. Finally, we establish experimental parameters where the multi-partite schemes outperform any possible QKD based protocol. This one of the first concrete compelling examples of multi-partite entangled resources achieving a genuine advantage over point-to-point protocols for quantum communication and represents a rigorous, operational benchmark to assess the usefulness of such resources.

연구 동기 및 목표

• 다중 부분 간 얽힘 기반 비밀 공유의 보안 분석 격차를 해소하기 위해, 유한 크기 영역에서 구성 가능한 보안성을 확립하는 것.
• 실제 양자 네트워크에서 다중 부분 간 얽힘 자원이 점대점 QKD를 능가할 수 있는지 확인하는 것.
• 다중 부분 간 프로토콜이 QKD 기반 프로토콜보다 비밀 키율에서 승승을 거두는 특정 네트워크 구조 및 파rameter 영역을 규명하는 것.

제안 방법

• 저자는 비밀 공유의 자원으로 연속 변수 그래프 상태를 사용하며, 그들의 구조를 활용해 (n,k)-임계 접근 구조를 실현한다.
• 일반적인 공격, 특히 참가자 공격까지 고려한 구성 가능한 보안 프레임워크를 개발하기 위해 문제를 이원 간 시나리오로의 최소화로 환원한다.
• 부드러운 엔트로피 형식을 사용해 유한 크기 효과를 분석하고, 현실적인 채널 손실과 가우시안 집단 공격을 고려한다.
• 연속 변수 시스템에 특화된 역재배치 및 정보 조율 기법을 사용해 키율을 유도한다.
• 손실 채널과 실험적 제약 조건을 동일하게 유지한 조건에서, 동등한 이원 간 QKD 방식과 프로토콜을 비교 평가한다.
• 수치 시뮬레이션과 분석적 경계를 사용해 다중 부분 간 프로토콜이 QKD를 능가하는 파rameter 영역를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 부분 간 얽힘 기반 비밀 공유 프로토콜은 유한 크기 영역에서 구성 가능한 보안성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떤 네트워크 구조와 실험 조건 하에서 다중 부분 간 얽힘은 비밀 키율에서 점대점 QKD를 능가하는가?
• RQ3 실제로 손실이 발생하는 유한 자원을 가진 손실이 발생하는 양자 네트워크에서 다중 부분 간 프로토콜이 QKD보다 정량적으로 유리한가?

주요 결과

• 제안된 프로토콜은 유한 크기 영역에서 참가자 공격을 포함한 일반적인 공격에 대해 구성 가능한 보안성을 확보한다.
• 손실이 발생하는 채널을 가진 병목 네트워크에서는, 점대점 QKD 기반 방법과 비교해 점점 더 높은 비밀 키율을 확보할 수 있다.
• 현재 기술로 구현 가능한 실험적 파rameter 범위 내에서, 다중 부분 간 프로토콜은 어떤 가능한 QKD 기반 프로토콜보다 더 높은 비밀 키율을 달성한다.
• 실제로 손실이 발생하는 채널과 유한 블록 길이에 해당하는 파rameter 영역에서 성능 이점이 정량적으로 입증된다.
• 다중 부분 간 접근 방식이 QKD를 능가하기 시작하는 특정 손실률과 신호 대 잡음비를 규명하였다.
• 본 연구는 실질적인 손실이 발생하는 네트워크에서 다중 부분 간 얽힘이 점대점 프로토콜보다 진정한 이점을 보이는 첫 번째 체계적이고 운영 가능한 기준을 제공한다.