[论文解读] How to pull yourself up by your adversary's quantum discord

Cosmo Lupo, Seth Lloyd|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2015

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文表明，通过利用窃听者有限的量子存储时间，可以在损耗性光学生通道上实现每模式恒定的1比特秘密密钥速率，无论距离多远。该方法利用了窃听者存储的量子信息中的量子失谐，使远距离安全通信突破标准量子力学所施加的指数衰减限制。

ABSTRACT

Quantum physics allows for unconditionally secure communication through insecure communication channels. The achievable rates of quantum-secured communication are fundamentally limited by the laws of quantum physics and in particular by the properties of entanglement. For a lossy communication line, this implies that the secret-key generation rate vanishes at least exponentially with the communication distance. We show that this fundamental limitation can be violated in a realistic scenario where the eavesdropper can store quantum information for only a finite, yet arbitrarily long, time. We consider communication through a lossy bononic channel (modeling linear loss in optical fibers) and we show that it is in principle possible to achieve a constant rate of key generation of one bit per optical mode over arbitrarily long communication distances.

研究动机与目标

• 解决在损耗性信道上量子密钥分发中秘密密钥速率随距离呈指数衰减的根本限制。
• 研究在窃听者量子存储能力受到现实约束的条件下，该限制是否可被克服。
• 探讨当攻击者仅能有限时间存储量子信息时，量子失谐在实现安全通信中的作用。
• 证明在这些条件下，每模式可实现与通信距离无关的恒定秘密密钥速率。

提出的方法

• 将通信信道建模为损耗性玻色子信道，以表示具有线性损耗的光纤传输。
• 假设窃听者具有有限的量子存储时间，从而限制任何存储量子信息的相干时间。
• 分析窃听者系统中的量子失谐，以量化可被用于密钥生成的残余关联。
• 使用量子信息理论技术证明，尽管信道损耗增加，秘密密钥速率仍保持恒定。
• 证明由于对攻击者施加了有限存储时间的约束，密钥速率不会随距离呈指数衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对窃听者能力做出现实假设的前提下，是否可以克服损耗性量子信道中秘密密钥速率的指数衰减？
• RQ2 窃听者有限的量子存储时间如何影响量子密钥分发中可实现的秘密密钥速率？
• RQ3 在攻击者系统中，量子失谐在多大程度上可被利用以在长距离上维持恒定的密钥速率？
• RQ4 当窃听者的存储能力受到限制时，是否可能实现与通信距离无关的非零恒定秘密密钥速率（每模式）？

主要发现

• 秘密密钥生成速率保持恒定，为每光学模式1比特，与通信距离无关。
• 该恒定速率源于窃听者有限的存储时间，从而限制了存储量子信息的相干性。
• 攻击者系统中的量子失谐在克服信道损耗的同时实现恒定密钥速率方面起着关键作用。
• 在给定的现实假设（即窃听者存储能力有限）下，该结果违反了损耗信道中秘密密钥速率的传统指数衰减上限。