[论文解读] High-Rate Point-to-Multipoint Quantum Key Distribution using Coherent States

Yiming Bian, Yichen Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文提出一种基于连续变量和相干态的点对多点量子密钥分发（PTMP-QKD）协议，支持单个发送方与最多128个接收方同时进行高比特率密钥生成。通过利用光功率分配技术，并结合一种安全高效的密钥提取方法，该方法通过隐私放大消除链路间相关性，使密钥速率相比传统协议提高两个数量级，从而实现可扩展的高性能量子安全网络。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) which enables information-theoretically security is now heading towards quantum secure networks. It requires high-performance and cost-effective protocols while increasing the number of users. Unfortunately, qubit-implemented protocols only allow one receiver to respond to the prepared signal at a time, thus cannot support multiple users natively and well satisfy the network demands. Here, we show a 'protocol solution' using continuous-variable quantum information. A coherent-state point-to-multipoint protocol is proposed to simultaneously support multiple independent QKD links between a single transmitter and massive receivers. Every prepared coherent state is measured by all receivers to generate raw keys, then processed with a secure and high-efficient key distillation method to remove the correlations between different QKD links. It can achieve remarkably high key rates even with a hundred of access points and shows the potential improvement of two orders of magnitude. This scheme is a promising step towards a high-rate multi-user solution in a scalable quantum secure network.

研究动机与目标

• 解决现有点对点QKD协议缺乏原生多用户支持的问题，该问题限制了量子安全网络的可扩展性和效率。
• 克服单光子基协议的根本性限制，即每个量子态在同一时间只能服务于一对用户。
• 利用连续变量量子信息和相干态编码，实现在多个独立链路上的高比特率、安全密钥分发。
• 开发一种与现有光网络基础设施兼容的实用化、可扩展协议，适用于城域网和接入网。
• 通过安全的后处理方法消除不同接收方之间的相关性，确保所有用户链路均具备信息论安全性。

提出的方法

• 使用单个发送方（爱丽丝）制备相干态|α⟩，并通过光功率分配器将信号同时分发至多个接收方（鲍勃们）。
• 每位鲍勃独立测量接收到的相干态，生成每个用户的检测数据Yi，而爱丽丝保留调制数据X。
• 应用安全的密钥提取协议，其中纠错的校验和通过一次性密码（OTP）加密，防止攻击者访问。
• 实施隐私放大以消除不同鲍勃之间的残余相关性，确保每个生成的秘密密钥相互独立且安全。
• 将源端调制误差（ε₁）和接收端相位恢复误差（εN）引起的附加噪声建模为总附加噪声ε_tot = V_mod(δ_mod + δ_PR)，用于安全分析。
• 采用包含馈线光纤（透射率T₁）和分支光纤（T₂）的网络模型，通过功率分配器损耗1/N，计算协方差矩阵和密钥速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个相干态制备是否能够在点对多点量子网络中实现多个用户的同时、独立密钥生成？
• RQ2 如何在不损害安全性或密钥速率的前提下，消除由共享量子态引入的用户间相关性？
• RQ3 在使用相干态和连续变量技术的多用户PTMP-QKD系统中，可实现的最大密钥速率是多少？
• RQ4 通道特定的噪声源（如调制误差、相位恢复）如何影响多用户网络中的秘密密钥速率和安全性？
• RQ5 该协议在支持100多个用户的同时，能在多大程度上保持高密钥速率，并与经典光网络兼容？

主要发现

• 所提出的PTMP-QKD协议通过单次相干态制备支持最多128个接收方，实现在所有链路上的同时密钥生成。
• 该方案相比传统点对点QKD协议，密钥速率最高可提升两个数量级。
• 通过一次性密码加密的校验和与隐私放大技术，即使在共享量子态的情况下，协议仍能确保所有生成密钥相互独立且安全。
• 总附加噪声建模为ε_tot = V_mod(δ_mod + δ_PR)，其中δ_mod和δ_PR分别表示调制和相位恢复的固定误差参数。
• 当分支光纤相同且网络中无窃听者时，光功率分配器的位置不影响协方差矩阵γ_AB₁B₂…BN，从而简化了安全分析。
• 该协议在真实噪声条件（包括探测噪声、ADC噪声和相位恢复噪声）下仍能保持高密钥速率，这些噪声被建模为εN和ε₁的一部分。