[論文レビュー] Unconditionally secure polarization based Quantum Key Distribution with laser pulses implementations

Kiyoshi Tamaki, Hoi‐Kwong Lo|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2004

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、弱いレーザー脈動を用いたSARG04量子鍵配送プロトコルの絶対的安全性を証明しており、2.71%未満のビット誤り率であれば、単一光子放出だけでなく二光子成分からも安全な鍵を抽出できることを示している。これは、任意のチャネル損失下でも成り立つため、レーザーを用いたQKDシステムの実用性が拡張される。

ABSTRACT

We prove the unconditional security of ``Quantum cryptography protocols robust against photon number splitting attacks for weak laser pulses implementations'' proposed by V. Scarani {\\it et al.,} in Phys. Rev. Lett. {\\bf 92}, 057901 (2004), which is called SARG04. Since a perfect single-photon source is not available with current technologies, many of experiments for quantum key distribution rely on attenuated coherent sources. It has been suggested that we can generate a secret key not only from single-photon emission parts, but also two-photon emission parts in SARG04. Our security analysis shows that we can indeed generate an uncondtionally secure key from two-photon part when the bit error rate on the part is below about 2.71% regardless of channel losses. Our analysis can be applied to $N$-state protocol with two-photon parts, and also may be applied to the less than $(N-1)$-photon parts.

研究の動機と目的

• 弱いコherentレーザー光源を用いたSARG04プロトコルの絶対的安全性を確立すること。このような光源は実用的であるが、光子数分割攻撃に対して脆弱である。
• 盗聴のリスクがあるにもかかわらず、SARG04における二光子放出イベントが安全な鍵生成に寄与できるかどうかを調査すること。
• 実用的QKD実装の文脈において、単一光子成分にとどまらず、特に二光子放出を含む多光子成分まで含めた安全な解析を拡張すること。

提案手法

• 著者たちは、不完全な光源、特に複数光子を非ゼロ確率で放出する弱いレーザー脈動を仮定して、SARG04プロトコルの安全解析を実施している。
• 二光子放出成分における盗聴者による情報取得を分析し、その貢献があっても鍵が安全である条件を導出している。
• 二光子部分のビット誤り率を分析し、安全な鍵抽出が依然として可能となる閾値を特定している。
• この手法はN状態プロトコルに適用可能であり、(N-1)光子未満の成分に対しても拡張可能であり、単一光子領域を超えた安全な証明を一般化している。
• 証明は、エントロピーの不確実性関係や、プロトコルへのコherent状態の入力といった、量子情報理論的技術に依存している。
• 解析は任意のチャネル損失を考慮しており、長距離または損失の大きい量子チャネルでも結果が成立することを保証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的なレーザー脈動実装下で、SARG04プロトコルにおける二光子放出イベントから安全な鍵生成が可能か？
• RQ2 絶対的安全性が保たれるために、二光子成分における許容可能な最大ビット誤り率は何か？
• RQ3 弱いレーザー脈動に含まれる多光子放出が、SARG04プロトコルの安全性を必然的に損なうのか？
• RQ4 SARG04の安全証明を、単一光子放出を超えて多光子成分の寄与を含むように拡張できるか？
• RQ5 二光子成分を考慮した場合、チャネル損失に対してプロトコルの安全性は頑健か？

主な発見

• 弱いレーザー脈動を用いたSARG04プロトコルは、二光子放出イベントから鍵を抽出しても、依然として絶対的に安全である。
• 二光子成分のビット誤り率が約2.71%未満であれば、安全な鍵を生成できる。
• チャネル損失にかかわらず安全な結果が得られることから、長距離量子鍵配送においても頑健である。
• 解析により、特に二光子放出を含む多光子成分が、特定の誤り率制約下では安全にQKDプロトコルで利用可能であることが示された。
• この手法はN状態プロトコルに一般化可能であり、(N-1)光子未満の成分に対しても応用可能であり、安全なQKD実装の範囲を広げた。