[论文解读] Effective Eavesdropping to Twin Field Quantum Key Distribution

Xiang‐Bin Wang, Xiao‐Long Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2018

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型的窃听攻击，针对的是双场量子密钥分发（TF-QKD）协议，该攻击利用公开宣布的相位信息，在不引入可检测噪声的情况下，完全掌握所有原始密钥比特。该攻击可100%成功揭示比特值，导致实际安全密钥速率降为零——这与协议在理想条件下声称的50%密钥速率相矛盾，从而暴露出TF-QKD中的关键安全漏洞。

ABSTRACT

We present an effective Eavesdropping scheme to attack the twin-field protocol of quantum key distribution [TF-QKD] proposed recently.

研究动机与目标

• 识别并展示双场量子密钥分发（TF-QKD）协议中的安全漏洞。
• 表明TF-QKD中公开宣布的相位信息可被窃听者（Eve）利用，以完全掌握所有原始密钥比特。
• 质疑TF-QKD协议声称的50%密钥速率的有效性，该速率假设在诱骗态方法下是安全的。
• 认为四强度优化的MDI-QKD协议在地球上的长距离QKD中仍更安全且更具实用性。
• 强调需要改进TF-QKD的安全证明和协议设计，以弥补已识别的漏洞。

提出的方法

• Eve执行两阶段攻击：首先，她进行粗略测量，将信号坍缩至真空或非真空子空间，同时保留相位信息。
• 她使用非迹保持映射来构造非真空态，仅在结果与她的目标匹配时才存储该态。
• 在Alice和Bob公开其随机相位偏移后，Eve对其存储的态施加相位偏移 $ e^{-i ho} $，以消除相位依赖性。
• 随后，她对存储的态执行投影测量，以确定性地区分比特值0和1。
• 该攻击设计为不可检测，因为它未向信道引入任何额外噪声。
• 分析聚焦于理想情况，即Alice和Bob使用相同的相位偏移，对应于无限小的相位切片。

实验结果

研究问题

• RQ1 窃听者能否利用TF-QKD中公开宣布的相位信息，完全掌握原始密钥比特？
• RQ2 在不引入可检测噪声的攻击下，TF-QKD协议是否仍保持安全？
• RQ3 为何TF-QKD协议在窃听者已完全掌握原始密钥的情况下，仍报告从原始密钥到最终密钥的50%密钥速率？
• RQ4 在可实现的安全距离方面，TF-QKD的安全性与四强度优化的MDI-QKD协议相比如何？
• RQ5 通过修改信号强度或引入新约束，能否使TF-QKD协议得到加固？

主要发现

• Eve可通过在测量后利用公开宣布的相位信息，100%准确地确定每个信号脉冲的比特值。
• 该攻击未引入任何噪声，因此Alice和Bob无法通过误码率监控检测到窃听行为。
• 尽管Eve已完全掌握原始密钥，协议的密钥速率计算仍报告从原始密钥到最终密钥的50%密钥速率。
• 这表明实际安全密钥速率应为零，与协议声称的性能相矛盾。
• 因此，该攻击下TF-QKD的安全性从根本上被破坏，其现有安全证明无效。
• 四强度优化的MDI-QKD协议仍是地球长距离QKD中最安全且最具实用性的选择，已实现404 km的安全距离。