[論文レビュー] Measurement-Device-Independent Quantum Secure Direct Communication

Zengrong Zhou, Yu‐Bo Sheng+3 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、エンタングルド光子対と単一光子を用いた測定装置に依存しない量子セキュア直接通信（MDI-QSDC）プロトコルを提案し、測定装置の脆弱性を排除するとともに通信距離を2倍にしている。チャーリーがアリスとボブの量子ビットに対してベル基底測定を実行できるようにすることで、装置独立型のセキュリティを実現し、通信中の盗聴検出と情報漏洩防止を可能にしている。

ABSTRACT

Quantum secure direct communication (QSDC) is the technology to transmit secret information directly through a quantum channel without neither key nor ciphertext. It provides us with a secure communication structure that is fundamentally different from the one that we use today. In this Letter, we report the first measurement-device-independent(MDI) QSDC protocol with sequences of entangled photon pairs and single photons. It eliminates security loopholes associated with the measurement device. In addition, the MDI technique doubles the communication distance compared to those without using the technique. We also give a protocol with linear optical Bell-basis measurement, where only two of the four Bell-basis states could be measured. When the number of qubit in a sequence reduces to 1, the MDI-QSDC protocol reduces to a deterministic MDI quantum key distribution protocol, which is also presented in the Letter.

研究の動機と目的

• 不完全な測定装置に起因する量子セキュア直接通信（QSDC）におけるセキュリティのすきまを解消すること。
• 従来、量子鍵配送（QKD）で使用されてきた測定装置に依存しない（MDI）技術を、QSDCに応用してセキュリティを強化すること。
• 鍵の配布や暗号化を経ずに、秘密のメッセージを直接量子チャネルで送信可能にするとともに、盗聴の検出を保証すること。
• ブロックサイズを1量子ビットにまで縮小した場合、プロトコルが決定的MDI-QKDプロトコルに移行することを示し、既存のQKDフレームワークと整合性を確認すること。

提案手法

• メッセージの符号化と送信に、エンタングルドEPR対と単一光子を量子状態として用いる。
• アリスとボブの測定装置への信頼を排除するため、第三者のチャーリーがアリスとボブの量子ビットに対してベル基底測定を実行する。
• 実用的光源（例：弱いレーザーパルス）を用いた場合のセキュリティと実現可能性を高めるために、ダミー状態法とILM-GLLP解析を適用する。
• 実験的実装を容易にするために、線形光学を用いた簡略化版を実装し、4つのベル状態のうち2つしか区別しない。
• メッセージ符号化の前に誤り率を推定するために、$t_1$ チェックペアを用いたセキュリティチェックを導入し、量子ビットの整合性を保証する。
• 状態符号化とトランスポートにユニタリ操作 $U_m$ と $U_T$ を用い、その後、測定前に基底依存のユニタリ補正 $U_B$ を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定装置に依存しない（MDI）技術を、量子鍵配送（QKD）から量子セキュア直接通信（QSDC）に成功裏に拡張可能か？ これにより測定装置の脆弱性が解消されるか？
• RQ2 MDI-QSDCにおける最大通信距離はどの程度で、非MDI-QSDCプロトコルと比較してどうなるか？
• RQ3 現在の光子技術、特に線形光学と部分的ベル状態測定を用いて、実用的なQSDCプロトコルをどのように設計できるか？
• RQ4 ブロックサイズを1量子ビットに縮小した場合、プロトコルは既知の安全なプロトコルに還元されるか？
• RQ5 測定装置が改ざんされた場合でも、第三者（チャーリー）が信頼できない状況でも、送信されたメッセージのセキュリティを保証できるか？

主な発見

• 提案されたMDI-QSDCプロトコルは、通信参加者の測定装置への信頼を排除することで、装置独立型のセキュリティを達成している。
• 検出器側チャネル攻撃を排除することで、従来のQSDCと比較して通信距離を2倍にしている。
• 線形光学を用いた簡略化版は、4つのベル状態のうち2つしか区別しないが、これにより現在の技術で実験的に実装可能である。
• ブロックあたりの量子ビット数を1にまで減少させた場合、プロトコルは決定的MDI-QKDプロトコルに還元され、既存のQKDフレームワークと整合性を確認している。
• メッセージ符号化の前にチェックペアを用いた誤り率推定により、チャーリーによる盗聴や不正行為を防止し、セキュリティを確保している。
• ダミー状態法とILM-GLLP解析に基づく正当なセキュリティ保証により、弱いレーザーパルスや自己発光パラメトリックダウンコンversionといった実用的光源でも実装可能である。