[论文解读] High-rate quantum conferencing and secret sharing

Carlo Ottaviani, Cosmo Lupo+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2017

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文提出了一种基于标准线性光学和相干态的测量设备无关、连续变量量子协同会议与密钥共享协议。通过在不可信中继处采用广义贝尔测量，生成多体隐密相关性，并将其提炼为共享密钥，实现了高数据率、可组合安全性的低功耗光学生化硬件方案。

ABSTRACT

We introduce a measurement-device independent star network which is conveniently based on continuous variable systems and standard linear optics. Here an arbitrary number of users send modulated coherent states to an untrusted relay where a generalized Bell detection creates multi-partite secret correlations. These correlations are then distilled into a shared secret key to implement a completely-secure quantum conference or, alternatively, a protocol of quantum secret-sharing. Our scheme is composably secure and able to achieve high rates with cheap optical implementation.

研究动机与目标

• 仅使用标准光学元件，实现任意数量用户之间的安全量子协同会议。
• 通过引入测量设备无关性，解决量子网络中因不可信中继导致的安全漏洞。
• 利用连续变量量子系统和实用线性光学，实现高密钥生成速率。
• 为多用户量子密钥共享提供可组合安全框架，无需依赖可信节点。
• 通过相干态调制和广义贝尔检测，展示一种可扩展、低成本的量子协同会议实现方案。

提出的方法

• 该协议采用星型网络拓扑，多个用户将调制后的相干态发送至一个中心不可信中继。
• 中继对接收的态执行广义贝尔测量，以生成多体纠缠相关性。
• 由于测量设备无关性，这些相关性天然抵御窃听攻击。
• 通过后处理步骤，将相关态提炼为所有用户共享的密钥。
• 该方案依赖连续变量量子力学和标准线性光学元件，如分束器和同镜探测器。
• 安全性能在可组合安全框架下得到证明，确保对所有类型攻击的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用连续变量系统和标准线性光学设计一种可扩展的量子协同会议协议？
• RQ2 在不依赖测量设备信任的前提下，如何确保在不可信中继存在下的安全性？
• RQ3 在多用户环境下，使用实用光学元件可实现多高的密钥生成速率？
• RQ4 该协议能否同时支持量子协同会议与量子密钥共享，且使用相同的架构？
• RQ5 信道损耗和噪声对生成密钥的安全性和速率有何影响？

主要发现

• 由于使用相干态和高效的广义贝尔检测，该协议实现了高密钥率。
• 即使中继完全不可信，安全性也能得到保障，得益于测量设备无关性。
• 该方案具备可组合性，确保在真实世界环境中对任意敌对攻击的抗性。
• 实现仅需标准线性光学和相干态光源，支持低成本部署。
• 该协议天然支持量子协同会议与量子密钥共享，使用相同的底层机制。
• 连续变量的使用使得高数据率密钥分发成为可能，无需单光子源或复杂的纠缠生成技术。