[论文解读] Continuous variable B92 quantum key distribution protocol using single photon added and subtracted coherent states

S. Srikara, Kishore Thapliyal+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种使用单光子叠加与减去相干态（PASCS）的连续变量B92量子密钥分发协议，该协议在无需无信息态或纠缠态的情况下，对无模糊态辨别（USD）攻击和光束分割器攻击具有内在鲁棒性。该方案实现了低误码率和高密钥率，在损耗信道中相较于离散变量B92及类似CV-QKD协议，在安全性和实用性方面表现更优。

ABSTRACT

In this paper, a continuous variable B92 quantum key distribution (QKD) protocol is proposed using single photon added and subtracted coherent states, which are prepared by adding and subsequently subtracting a single photon on a coherent state. It is established that in contrast to the traditional discrete variable B92 protocol, this protocol for QKD is intrinsically robust against the unambiguous state discrimination attack, which circumvents the requirement for any uninformative states or entanglement used in corresponding discrete variable case as a remedy for this attack. Further, it is shown that the proposed protocol is intrinsically robust against the eavesdropping strategies exploiting classical communication during basis reconciliation, such as beam splitter attack. Security against some individual attacks, key rate, and bit-error rate estimation for the proposed scheme are also provided. Specifically, the proposed scheme ensures very small bit-error rate due to properties of the states used. Thus, the proposed scheme is shown to be preferable over the corresponding discrete variable B92 protocol as well as some similar continuous variable quantum key distribution schemes.

研究动机与目标

• 开发一种连续变量B92 QKD协议，以克服离散变量B92对无模糊态辨别（USD）攻击的脆弱性。
• 消除以往基于DV的解决方案中为保护B92协议而必须使用的无信息态或纠缠态。
• 增强对利用基矢协商期间经典通信的窃听策略（如光束分割器攻击）的防护能力。
• 利用实际的连续变量态（如PASCS）实现高密钥率和低误码率。
• 通过利用PASCS的内在特性，为现有CV-QKD方案提供一种安全且实用的替代方案。

提出的方法

• 该协议使用单光子叠加与减去相干态（PASCS）作为编码信息的量子态，通过在相干态上先添加后减去一个光子制备而成。
• 爱丽丝准备并发送对应于比特值0和1的PASCS态，这些态非正交，且在相空间中表现出不同的分布特征，其中某一正交分量在特定区域显著超过另一分量。
• 鲍勃对接收态执行本振测量，并仅选择符合结论的测量结果，依据后选择阈值ζc，舍弃不确定结果。
• 该协议利用了任何爱丽丝试图执行无模糊态辨别（USD）的行为都会导致类似真空的信号，而这些信号因缺乏预期信号功率可被鲍勃检测到的特性。
• 通过计算爱丽丝态辨别成功的概率P_corr分析对拦截-重发和光束分割器攻击的防护能力，表明P_corr越低，被检测到的可能性越高。
• 通过联合正交分量测量的概率分布估算密钥率和误码率，并对固定误码率δ下的相干振幅α进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种基于PASCS的连续变量B92协议，使其对无模糊态辨别（USD）攻击具有内在鲁棒性？
• RQ2 所提出的协议是否如原始离散变量B92协议不同，无需依赖无信息态或纠缠态即可抵御USD攻击？
• RQ3 该协议在利用基矢协商期间经典通信的光束分割器攻击下表现如何？
• RQ4 使用PASCS的所提CV B92方案可实现的密钥率和误码率是多少？
• RQ5 该协议能否在不依赖额外经典通信进行协商的前提下，维持低误码率和高安全性，抵御单次攻击？

主要发现

• 所提出的基于PASCS的CV B92协议对无模糊态辨别（USD）攻击具有内在鲁棒性，因为爱丽丝任何不确定的测量都会产生类似真空的信号，而鲍勃可通过预期信号功率的缺失检测到这些信号。
• 与以往对B92协议的离散变量改进不同，该协议无需使用无信息态或纠缠态即可抵御USD攻击，从而简化了实现。
• 该协议对利用基矢协商期间经典通信的光束分割器攻击具有鲁棒性，因为爱丽丝无法在不引入可检测扰动的情况下可靠推断出正确态。
• 由于PASCS态在相空间中分布特征明显，重叠极小，显著增强了态的可区分性，因此误码率极低。
• 密钥率保持较高水平，估计值与类似CV-QKD方案相当或更优，且对包括拦截-重发和同时测量正交分量在内的单次攻击已建立安全性。
• 爱丽丝态辨别成功概率P_corr被最小化，从而提高了被检测的可能性，显著增强了整体协议的安全性。