[論文レビュー] Semi-quantum key distribution protocol using Bell state

Zhiwei Sun, Ruigang Du+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2011

Quantum Mechanics and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、偏光エンタングルドベル状態を用いた半量子鍵配送（SQKD）プロトコルを提案し、量子アリスと古典的ボブが鍵交換に参加できるようにする。エンタングルド光子対と制御反射／スイーピング機構を活用することで、1/8の高い効率と盗聴に対する完全な耐性を達成し、完全に量子プロトコルと同等のセキュリティを提供しながらリソースのオーバーヘッドを低減する。

ABSTRACT

A quantum key distribution protocol with classical Bob based on polarization entangled photon pairs is presented. It approximates a single photon and exploited the inherent randomness of quantum measurements to attain highly secure keys and high efficiency of the transmission.

研究の動機と目的

• 量子操作を実行するのは1名の参加者（アリス）のみで、残りの参加者（ボブ）は古典的であるような半量子鍵配送プロトコルを設計すること。
• BKM2007のような従来のSQKDプロトコルが送信された粒子の3/4しか鍵生成に使わないのを改善し、効率を向上させること。
• 偏光エンタングルドベル状態を活用してセキュリティを強化し、単一光子の動作に近づけ、ビームスプリッタ攻撃に対する脆弱性を低減すること。
• プロトコルが完全に耐性を持つこと、すなわち、盗聴の試みが検出可能な誤りを誘発することを証明すること。
• BKM2007よりも高い効率を達成し、ZQLWL2009と同等の効率を実現することを示すこと。

提案手法

• プロトコルは4つのベル状態：|ϕ⁺⟩、|ϕ⁻⟩、|ψ⁺⟩、|ψ⁻⟩ を使用し、|ϕ⁺⟩ と |ψ⁺⟩ はそれぞれ古典的ビット0と1を符号化する。
• アリスはN = 4n(1+δ)個のEPR対を|ϕ⁺⟩状態で準備し、それを2つの系列に分割する：H系列（ホーム）とT系列（移動中）。
• ボブはT系列を受け取り、量子ビットを反射する（CTRL）か、計算基底で測定する（SIFT）かを選択し、それを返送する。
• アリスは戻ってきたT系列とH系列に対してベル状態測定を実行し、エンタングルメントの維持と盗聴の検出を確認する。
• スイーピング機構を用い、鍵生成に使用するのはCTRLおよびSIFTのケースのみで、残りは盗聴検出に使用する。
• プライバシー強化を適用して、イヴが得た可能性のある残余情報の低減を図り、無条件のセキュリティを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンタングルドベル状態を用いた半量子鍵配送プロトコルを構築することで、従来のプロトコルよりも効率とセキュリティを向上させることができるか？
• RQ2 弱められたレーザーパルスではなくエンタングルド光子対を用いることで、ビームスプリッタ攻撃に対する脆弱性が低下するか？
• RQ3 提案されたプロトコルは完全に耐性を持つか？　すなわち、盗聴の試みが検出可能な誤りを誘発するか？
• RQ4 プロトコルの効率は、量子ビットおよび古典的ビットの送信に対して鍵生成レートとしてどの程度か？
• RQ5 古典的ボブが計算基底での測定と状態準備のみを実行できる状況でも、高いセキュリティを維持できるか？

主な発見

• プロトコルは約1/8の効率を達成しており、BKM2007（約1/16）よりも高く、ZQLWL2009と同等の効率を達成する。
• プロトコルは完全に耐性を持つ。　すなわち、情報の取得を試みる盗聴の試みは、必ず検出可能な誤りを誘発する。
• イヴは、システムと相関のない偽の状態を準備しない限り、情報を獲得できない。　これは彼女の情報獲得量が無視できる程度に制限されることを意味する。
• パラメトリックダウンコンersionから得られるエンタングルド光子対は、高レートで動作する単一光子源に近い性能を示し、複数光子発生の確率が低い。
• 盗聴検出に使用する状態を除き、すべてのベル状態が鍵生成に使用され、効率を最大化する。
• 量子力学の線形性と、イヴのユニタリ操作が元のベル状態を損なわない限り検出されないという要件により、セキュリティが維持される。