[论文解读] Continuous-variable quantum cryptography with untrusted relays

Stefano Pirandola, Carlo Ottaviani+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2013

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种针对存在不可信中继的网络的连续变量量子密钥分发协议，其中两方通过相干态传输并在中继处使用贝尔测量来生成密钥，即使存在潜在的窃听攻击也能保证密钥的机密性。该方案实现了极高的密钥率——比离散变量协议高出数个数量级——尤其当中继靠近其中一方时更为显著，从而在不可信网络拓扑中实现了实用化的高速率量子通信。

ABSTRACT

We extend the field of continuous-variable quantum cryptography to a network formulation where two honest parties connect to an untrusted relay by insecure quantum links. To generate secret correlations, they transmit coherent states to the relay where a continuous-variable Bell detection is performed and the outcome broadcast. Even though the detection could be fully corrupted and the links subject to optimal coherent attacks, the honest parties can still extract a secret key, achieving high rates when the relay is proximal to one party, as typical in public networks with access points or proxy servers. Our theory is confirmed by an experiment generating key-rates which are orders of magnitude higher than those achievable with discrete-variable protocols. Thus, using the cheapest possible quantum resources, we experimentally show the possibility of high-rate quantum key distribution in network topologies where direct links are missing between end-users and intermediate relays cannot be trusted.

研究动机与目标

• 在端用户之间不存在直接链路的网络环境中实现高速率量子密钥分发。
• 解决不可信中继可能被攻击者破坏或完全控制所带来的挑战。
• 开发一种对量子链路和中继探测的最优相干攻击具有鲁棒性的协议。
• 仅使用相干态和本振探测，通过实验验证其可行性，从而最大限度减少量子资源需求。

提出的方法

• 各方通过不安全的量子信道向不可信中继发送制备并发送的相干态。
• 中继对接收的态执行连续变量贝尔测量，并广播测量结果。
• 诚实各方利用广播的经典结果和自身的测量数据，估计关联性并提取秘密密钥。
• 通过连续变量纠缠和高斯态的使用，即使在最优相干攻击下也能确保安全性。
• 密钥率基于互信息和量子互信息进行计算，同时考虑噪声和窃听的影响。
• 该协议利用了中继检测可被完全破坏的特性，但由于量子关联结构的存在，仍可实现秘密密钥提取。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以仅使用连续变量量子资源，在存在不可信中继的网络中实现秘密密钥分发？
• RQ2 当中继靠近其中一方时，此类网络中可实现的密钥率是多少？
• RQ3 该协议在量子链路和中继遭受最优相干攻击时如何保持安全性？
• RQ4 是否可以仅使用相干态和本振探测，在实验中实现高速率密钥分发？
• RQ5 中继的接近程度对网络化量子密码系统中可实现密钥率有何影响？

主要发现

• 该协议实现的密钥率比离散变量量子密钥分发协议高出数个数量级。
• 当中继靠近诚实一方时，仍能维持极高的秘密密钥率，这在公共网络架构中是典型情况。
• 即使中继完全不可信且量子链路遭受最优相干攻击，安全性依然得以保持。
• 该方案仅使用相干态和本振探测即完成实验验证，证实了在最小化量子资源需求下实现高速率量子密钥分发的可行性。
• 在中继处使用连续变量贝尔检测，可在无需中间节点具备可信量子设备的条件下实现安全密钥提取。
• 结果表明，网络化量子密码学可基于低成本量子技术实现，从而支持可扩展且高速的密钥分发。