[논문 리뷰] High-rate quantum conferencing and secret sharing

Carlo Ottaviani, Cosmo Lupo외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 20.

Quantum Information and Cryptography인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 표준 선형 광학 장치와 비편재 상태를 사용하여 측정 장치에 독립적인 연속 변수 양자 회의 및 비밀 공유 프로토콜을 제안한다. 비신뢰할 수 있는 릴레이에서 일반화된 벨 검출을 적용함으로써 다중 참가자 비밀 상관관계를 생성하고 이를 공유 키로 정제하여 저비용 광학 하드웨어로 고속도, 구성 가능한 보안을 달성한다.

ABSTRACT

We introduce a measurement-device independent star network which is conveniently based on continuous variable systems and standard linear optics. Here an arbitrary number of users send modulated coherent states to an untrusted relay where a generalized Bell detection creates multi-partite secret correlations. These correlations are then distilled into a shared secret key to implement a completely-secure quantum conference or, alternatively, a protocol of quantum secret-sharing. Our scheme is composably secure and able to achieve high rates with cheap optical implementation.

연구 동기 및 목표

• 단지 표준 광학 장치를 사용하여 임의의 수의 사용자 간에 안전한 양자 회의를 가능하게 하기 위해.
• 측정 장치 신뢰를 요구하지 않도록 하여 비신뢰할 수 있는 릴레이로 인한 양자 네트워크의 보안 취약점을 해결하기 위해.
• 연속 변수 양자 시스템과 실용적인 선형 광학을 사용하여 고속도 키 생성을 달성하기 위해.
• 신뢰할 수 있는 노드를 요구하지 않고 다중 사용자 양자 비밀 공유를 위한 구성 가능한 보안 프레임워크를 제공하기 위해.
• 비편재 상태 변조와 일반화된 벨 검출을 사용하여 확장 가능하고 저비용의 양자 회의 구현을 시연하기 위해.

제안 방법

• 다수의 사용자가 중심에 위치한 비신뢰할 수 있는 릴레이로 변조된 비편재 상태를 전송하는 스타 네트워크 구조를 사용한다.
• 릴레이는 들어오는 상태에 대해 일반화된 벨 검출을 수행하여 다중 참가자 얽힘 상관관계를 생성한다.
• 측정 장치에 독립성 덕분에 이 상관관계는 도청에 대해 본질적으로 안전하다.
• 후처리 단계에서 상관관계가 있는 상태를 모든 사용자 간의 공유 비밀 키로 정제한다.
• 이 방법은 연속 변수 양자역학과 빔 스플리터 및 호모다인 검출기와 같은 표준 선형 광학 요소에 의존한다.
• 보안은 구성 가능한 보안 프레임워크에 기반하여 모든 종류의 공격에 대한 강건성을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속 변수 시스템과 표준 선형 광학만을 사용하여 확장 가능한 양자 회의 프로토콜을 설계할 수 있는가?
• RQ2 측정 장치에 대한 신뢰를 요구하지 않고 비신뢰할 수 있는 릴레이가 존재하는 상황에서 보안을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ3 실용적인 광학 장치를 사용한 다중 사용자 환경에서 어떤 키 생성 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 동일한 아키텍처로 양자 회의와 양자 비밀 공유를 모두 지원할 수 있는가?
• RQ5 채널 손실과 노이즈가 생성된 비밀 키의 보안성과 속도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비편재 상태의 사용과 효율적인 일반화된 벨 검출 덕분에 높은 비밀 키 생성 속도를 달성한다.
• 측정 장치에 독립성 덕분에 릴레이가 완전히 비신뢰할 수 있는 경우에도 보안이 보장된다.
• 이 방법은 구성 가능하여 실제 환경에서 임의의 공격자에 대한 보안을 보장한다.
• 표준 선형 광학 장치와 비편재 상태 소스만으로도 구현 가능하여 저비용 구현이 가능하다.
• 동일한 기반 메커니즘을 사용하여 양자 회의와 양자 비밀 공유를 자연스럽게 지원한다.
• 연속 변수의 사용으로 단일 광자 소스나 복잡한 얽힘 생성을 요구하지 않아도 고속도 키 분배가 가능하다.