[论文解读] Experimental device-independent quantum key distribution between distant users

Wei Zhang, Tim van Leent+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

该论文首次在400米距离上实现了基于被捕获铷-87原子之间后脉冲纠缠的实验性设备无关量子密钥分发（DIQKD）。该装置在渐近安全假设下实现了每纠缠事件 $ r = 0.07 $ 的密钥生成速率，并在3%误码率下实现 $ r > 0 $，标志着在使用不可信硬件的实用化、完全设备无关量子密码学方面迈出了关键一步。

ABSTRACT

Device-independent quantum key distribution (DIQKD) is the art of using untrusted devices to establish secret keys over an untrusted channel. So far, the real-world implementation of DIQKD remains a major challenge, as it requires the demonstration of a loophole-free Bell test across two remote locations with very high quality entanglement to ensure secure key exchange. Here, we demonstrate for the first time the distribution of a secure key -- based on asymptotic security estimates -- in a fully device-independent way between two users separated by 400 metres. The experiment is based on heralded entanglement between two independently trapped single Rubidium 87 atoms. The implementation of a robust DIQKD protocol indicates an expected secret key rate of r=0.07 per entanglement generation event and r>0 with a probability error of 3%. Furthermore, we analyse the experiment's capability to distribute a secret key with finite-size security against collective attacks.

研究动机与目标

• 在真实世界、远距离用户场景中，使用不可信设备，演示完全设备无关的量子密钥分发（DIQKD）协议。
• 在两名远程用户之间实现无漏洞的贝尔非局域性检验，以确保无需设备表征即可保证安全性。
• 通过长距离光纤链路中被捕获原子之间的高保真度、后脉冲纠缠，验证DIQKD的可行性。
• 在集体攻击下分析有限密钥安全性，确立其在密码学应用中的实际可行性。
• 识别并解决事件速率低和光纤损耗等关键限制，以推动未来可扩展性。

提出的方法

• 实验使用两个相距400米的独立捕获⁸⁷Rb原子，通过700米的光纤连接，生成后脉冲纠缠。
• 通过自发辐射产生纠缠，并在中间节点通过贝尔态测量（BSM）确认，光子探测作为纠缠成功生成的信令。
• DIQKD协议基于参考文献[31]中的随机化密钥设置方案，该方案在真实噪声和损耗条件下提升了鲁棒性与效率。
• 收集并分析爱丽丝和鲍勃设备的输入-输出统计，以计算贝尔不等式违背程度和量子误码率（QBER）。
• 采用最先进的分析方法评估有限密钥安全性，假设为集体攻击、1.15的纠错效率，并采用均匀分布的设置。
• 协议使用经过认证的经典信道进行后处理，双方均使用可信的本地输入和存储单元。

Figure 1: Schematic of the DIQKD connection. Each of the two parties, Alice and Bob, holds one of the two QKD devices which are connected via a quantum channel. The devices receive the inputs $X$ and $Y$ , and respond with outputs $A$ and $B$ , respectively. To run the protocol each party needs a tr

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在真实世界、长距离设置中，使用不可信设备实现设备无关的量子密钥分发？
• RQ2 在400米光纤链路上，完全设备无关设置下的可实现密钥速率是多少？
• RQ3 在有限密钥分析下，面对集体攻击和真实实验参数，系统性能如何？
• RQ4 事件速率和距离方面的哪些主要限制阻碍了DIQKD的实际部署？
• RQ5 未来改进如频率转换或多节点扩展能否克服当前性能瓶颈？

主要发现

• 在渐近安全假设下，实验实现了每纠缠生成事件 $ r = 0.07 $ 的密钥速率。
• 在3%误码率下，协议实现了正的密钥速率（$ r > 0 $），证实了在真实噪声下的可行性。
• 在 $ \\epsilon_{\textrm{DI}} = 10^{-5} $ 的安全条件下，有限密钥安全性可通过最小块长度 $ 1.75 \times 10^5 $ 实现，表明其具有实际密码学意义。
• 由于事件速率较低，主要受限于事件就绪方案中的反馈延迟，当前装置需数月测量时间才能实现有限密钥安全性。
• 若将贝尔态测量保真度提升至包含 $ |\Psi^{-}\rangle $ 投影，可使纠缠生成速率翻倍，从而直接提升密钥生成速率。
• 通过多维阵列和时间复用技术进行未来扩展，可使事件速率提高数个数量级，从而实现更长距离和更快速的DIQKD。