[论文解读] Absolutely covert quantum communication

Kamil Brádler, Timjan Kalajdzievski+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 31被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种根本上隐蔽的量子通信协议，利用闵可夫斯基真空中的类时纠缠，通过Unruh-DeWitt探测器实现，无需依赖热噪声或经典信号传输，即可在渐近意义上获得正的密钥率。该方案通过利用内在的量子真空关联，在大距离上实现了真正隐蔽的量子通信，证明了在原则上可靠且不可探测的量子通信是可能的。

ABSTRACT

We present truly ultimate limits on covert quantum communication by exploiting quantum-mechanical properties of the Minkowski vacuum in the quantum field theory framework. Our main results are the following: We show how two parties equipped with Unruh-DeWitt detectors can covertly communicate at large distances without the need of hiding in a thermal background or relying on various technological tricks. We reinstate the information-theoretic security standards for reliability of asymptotic quantum communication and show that the rate of covert communication is strictly positive. Therefore, contrary to the previous conclusions, covert and reliable quantum communication is possible.

研究动机与目标

• 通过利用相对论性量子场论，确立隐蔽量子通信的极限。
• 克服先前结论中认为在纯损耗信道中隐蔽量子通信速率会渐近趋于零的局限。
• 证明量子通信可以在不依赖环境噪声或技术隐蔽手段的前提下，同时实现隐蔽与可靠。
• 分析类时纠缠在实现远距离、不可探测量子通信中的作用。
• 研究是否可以完全消除经典通信，以实现远距离隐蔽量子通信。

提出的方法

• 该协议采用两个处于惯性参考系的观测者，配备与标量量子场在闵可夫斯基真空中耦合的Unruh-DeWitt探测器。
• 通过四阶微扰理论计算探测器的响应，以提取在对场进行部分迹操作后得到的纠缠态。
• 利用量子信息理论工具（包括可提纯纠缠和密钥率边界）分析所得的双探测器态。
• 分析聚焦于信道的渐近行为，特别是双向经典通信下的相干信息和密钥率。
• 该协议被解释为一种量子信道，其Choi-Jamiołkowski矩阵在特定参数范围内类似于一个量子比特泡利信道。
• 在假设攻击者可持有系统纯化态但无法访问合法方的边缘态的前提下，分析安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖热噪声或人为隐蔽机制的量子信道中实现隐蔽量子通信？
• RQ2 在相对论性量子场论中，隐蔽量子通信速率的根本上限是什么？
• RQ3 在不交换量子信号的渐近极限下，是否可能实现严格为正的密钥率？
• RQ4 是否可以完全避免经典通信，以实现远距离隐蔽量子通信？
• RQ5 闵可夫斯基真空的内在纠缠是否能实现数千公里距离上可靠且不可探测的量子通信？

主要发现

• 隐蔽量子通信的渐近速率严格为正，与先前预测在纯损耗信道中速率趋于零的结论相矛盾。
• 在特定参数下，单向通信的正密钥率约为0.008，通过双向经典通信可实现更高密钥率。
• 探测器之间的纠缠源于闵可夫斯基真空中的类时关联，使得无需直接交换量子信号即可实现通信。
• 所诱导信道的相干信息保持为正，即使在空间和时间上相距较远，也能实现可靠的量子通信。
• 当耦合强度λ减小时，速率下降，并在态变为可分时完全消失，表明纠缠存在相变现象。
• 即使攻击者持有系统的纯化态，协议仍对窃听保持安全，因为合法方的边缘态不受影响。