[论文解读] A Quantum Enigma Machine: Experimentally Demonstrating Quantum Data Locking

Daniel J. Lum, Michael S. Allman+6 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|May 20, 2016

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 3

一句话总结

本论文首次通过光学系统实现了量子数据锁定（QDL）的实验演示，该系统可在密钥长度短于信息量的情况下实现信息论安全。通过在高维量子信道中利用偏振和空间模式对每光子编码6比特信息，该方案实现了每光子密钥消耗少于6比特的安全直接通信，借助里德-所罗门纠错码与量子恩尼格玛机架构。

ABSTRACT

Claude Shannon proved in 1949 that information-theoretic-secure encryption is possible if the encryption key is used only once, is random, and is at least as long as the message itself. Notwithstanding, when information is encoded in a quantum system, the phenomenon of quantum data locking allows one to encrypt a message with a shorter key and still provide information-theoretic security. We present one of the first feasible experimental demonstrations of quantum data locking for direct communication and propose a scheme for a quantum enigma machine that encrypts 6 bits per photon (containing messages, new encryption keys, and forward error correction bits) with less than 6 bits per photon of encryption key while remaining information-theoretically secure.

研究动机与目标

• 通过光子系统实验演示量子数据锁定（QDL）在安全直接通信中可行性。
• 实现一种实用的量子恩尼格玛机，利用每光子少于6比特的密钥对每光子6比特信息进行加密。
• 在有界量子存储模型下实现信息论安全，即攻击者可访问的信息受限于有限的量子存储能力。
• 评估高维QDL协议中消息容量、密钥消耗与纠错之间的权衡。
• 探索利用里德-所罗门码与高维编码在自由空间光信道中实现QDL的可扩展性。

提出的方法

• 利用BiBO晶体中的I型简并自发参量下转换（SPDC）生成纠缠光子对，实现单光子态的后选探测制备。
• 采用512×512液晶空间光调制器（SLM）对信号光子施加随机酉操作（混淆相位掩模），通过线性相位调制编码6比特信息。
• 在爱娃（Eve）的域中实现4F成像系统，将爱丽丝（Alice）SLM输出映射至鲍勃（Bob）的SLM，使鲍勃能够应用逆酉操作完成解密。
• 采用8×8超导纳米线单光子探测器阵列（SNSPD）配合微透镜聚焦，实现高效率、低噪声的输出态检测。
• 应用里德-所罗门（63, 51）纠错码以纠正传输错误并实现前向纠错（FEC），同时考虑密钥消耗。
• 假设因系统损耗导致弱锁存容量，但安全性能在有界存储模型下得以保持，即爱娃的量子存储能力受限。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在使用实际组件的高维光学系统中实验实现量子数据锁定？
• RQ2 在QDL中，密钥长度可被压缩至低于信息长度多大程度，同时仍保持信息论安全？
• RQ3 高维编码与纠错码的使用如何影响QDL中可实现的消息容量与密钥消耗？
• RQ4 实验损耗与探测器非理想性对基于QDL的量子恩尼格玛机的安全性与性能有何影响？
• RQ5 能否利用现有光子技术与纠错方案实现可扩展、高数据率的QDL协议？

主要发现

• 实验实现了每光子6比特信息的安全直接通信，且每光子密钥消耗少于6比特，验证了量子数据锁定的核心原理。
• 采用里德-所罗门（63, 51）码后，系统在密钥消耗少于每光子6比特的前提下实现了带纠错的消息传输，且密钥消耗在通道使用次数增加时渐近趋于常数。
• 在63个符号中包含51个消息符号时，里德-所罗门译码成功率超过95%，表明在实验条件下具有高可靠性。
• 系统表明，每光子的密钥消耗随通道使用次数（n）增加而减少，n=126时的密钥消耗显著低于n=63时。
• 理论分析表明，即使在任意损耗条件下，只要增大码本与系统维度，仍可实现强锁存容量，且在有界存储模型下安全性能得以保持。
• 本实验为量子恩尼格玛机提供了原理验证，表明高维量子态可实现高容量、信息论安全的通信，且密钥使用呈次线性增长。