[论文解读] Device-independent quantum key distribution

Esther Hänggi|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2010

Quantum Information and Cryptography被引用 17

一句话总结

该论文在两种不同框架下建立了设备无关的量子密钥分发（DIQKD）：非信号对抗者框架与可实现于量子的关联框架。它采用一种通用的证明框架，依赖于非信号约束和可交换测量，证明了当满足这些条件时，即使不信任设备细节或希尔伯特空间维度，也能实现安全的密钥提取。

ABSTRACT

In this thesis, we study two approaches to achieve device-independent quantum key distribution: in the first approach, the adversary can distribute any system to the honest parties that cannot be used to communicate between the three of them, i.e., it must be non-signalling. In the second approach, we limit the adversary to strategies which can be implemented using quantum physics. For both approaches, we show how device-independent quantum key distribution can be achieved when imposing an additional condition. In the non-signalling case this additional requirement is that communication is impossible between all pairwise subsystems of the honest parties, while, in the quantum case, we demand that measurements on different subsystems must commute. We give a generic security proof for device-independent quantum key distribution in these cases and apply it to an existing quantum key distribution protocol, thus proving its security even in this setting. We also show that, without any additional such restriction there always exists a successful joint attack by a non-signalling adversary.

研究动机与目标

• 实现不依赖设备信任的设备无关量子密钥分发。
• 证明在无法在子系统间通信的非信号对抗者下的安全性。
• 在具有可交换测量的可实现于量子的关联下建立安全性。
• 表明需要额外约束以防止非信号对抗者实施集体攻击。
• 提供一种适用于显式QKD协议的通用安全证明，且假设条件尽可能少。

提出的方法

• 提出一种基于可观测测量统计而非设备规格的设备无关QKD框架。
• 引入两种模型：非信号对抗者（约束较弱）与可实现于量子的关联（物理约束较强）。
• 施加两个关键条件：子系统之间无通信，以及在不同子系统上测量的可交换性。
• 利用凸优化与最小熵分析开发一种通用安全证明，以限制窃听者所获信息。
• 将该证明应用于具体QKD协议，表明其在所述假设下仍保持安全。
• 使用de Finetti型定理与凸优化对偶性，分析密钥提取的安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不信任所用物理设备的情况下实现设备无关的QKD？
• RQ2 为防止非信号对抗者破坏QKD协议，需要哪些额外约束？
• RQ3 当仅信任观测到的关联而不可信底层量子设备时，QKD的安全性如何变化？
• RQ4 能否构建一种通用安全证明，使其适用于在最小假设下的多种QKD协议？
• RQ5 非信号约束与可交换性约束在确保安全密钥生成中起什么作用？

主要发现

• 当施加非信号约束与可交换测量时，设备无关QKD的安全性可实现。
• 若无额外约束，非信号对抗者可对多个系统同时实施集体攻击。
• 所提出的框架可基于仅观测到的关联，为QKD协议提供通用安全证明。
• 安全证明依赖于凸优化与最小熵技术，以限制攻击者的信息量。
• 结果表明，即使不了解希尔伯特空间维度或设备细节，设备无关安全性仍可实现。
• 该框架表明，因果性与无通信约束足以保证安全的密钥提取。