[论文解读] KCQ: A New Approach to Quantum Cryptography I. General Principles and Qubit Key Generation

Horace P. Yuen|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2003

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 11被引用 42

一句话总结

KCQ 提出了一种基于量子检测理论的新型量子密码学框架，利用共享秘密密钥选择数据比特的量子态，使用户能够执行最优测量，从而在误码性能上优于攻击者。该方法通过信源编码和故意随机性，实现对独立攻击和联合攻击的无条件安全，且能从性能优势中生成新密钥。

ABSTRACT

A new principle of quantum cryptography to be called KCQ, keyed CDMA in quantum noise, is developed on the basis of quantum detection theory. By the use of a shared secret key that determines the quantum states generated for different data bit values, the users may employ the corresponding optimum quantum measurement to decode each data bit. This gives them a better error performance than an attacker who does not know the key, and an overall generation of a fresh key may be obtained from the resulting advantage. This principle is illustrated in the operation of a concrete qubit system which is secure against individual attack in a simple manner. Its security against joint attacks in the presence of noise is obtained with the introduction of two new techniques, data bit randomization via source coding and deliberate error randomization via keyless randomness introduced by the user. The criterion of bit error rate, which is more appropriate than mutual information, is used in a general security analysis of key generation schemes.The criterion of protocol efficiency and its sensitivity to system parameter fluctuation is proposed as another benchmark on the evaluation of key generation protocols. A brief sketch is given on the implementation of KCQ with coherent states of considerable energy and its use in direct encryption. Another technique, deliberate signal randomization, is introduced. Some qualitative comparison among the different key generation schemes are made from with a fundamental and a practical viewpoint. Detailed quantitative results on qubits and coherent-state KCQ schemes for key generation and direct encryption performance would be presented in future papers of this series. The apparent gaps in the unconditional security proofs of previous protocols are indicated in Appendix.

研究动机与目标

• 基于量子检测理论，提出一种新的量子密码学原理KCQ，以提升密钥生成的安全性和性能。
• 通过引入对联合攻击具有鲁棒性的机制，解决先前协议在无条件安全证明中的局限性。
• 建立基于误码率而非互信息的密钥生成安全评估标准。
• 提出协议效率和参数敏感性作为比较密钥生成协议的新基准。
• 通过使用中等能量的相干态，实现对直接加密和密钥生成的实用化部署。

提出的方法

• 利用共享秘密密钥确定用于编码数据比特的量子态，使用户能够应用最优量子测量。
• 通过信源编码引入数据比特随机化，以增强在噪声环境下的联合攻击防护能力。
• 通过用户注入的无密钥随机性实施故意误码随机化，以干扰攻击者检测。
• 以误码率作为主要安全标准，取代互信息来评估密钥生成方案。
• 设计一种协议，使合法用户相对于攻击者的性能优势能够用于生成新密码密钥。
• 提出一种称为故意信号随机化的技术，以在实际实现中进一步增强安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在噪声的情况下，如何使量子密钥分发协议对联合攻击实现无条件安全？
• RQ2 在评估密钥生成协议安全性时，哪些标准比互信息更为合适？
• RQ3 协议效率以及对系统参数波动的敏感性如何影响量子密钥生成方案的实用性？
• RQ4 能否可靠地从合法用户相对于攻击者的性能优势中生成新密钥？
• RQ5 在使用相干态的量子密码学中，故意随机性在增强安全性方面起什么作用？

主要发现

• KCQ协议通过使用共享秘密密钥选择量子态，以简单直接的方式实现了对独立攻击的安全防护。
• 在噪声环境中，通过两种新技术实现了对联合攻击的安全防护：通过信源编码实现的数据比特随机化，以及通过无密钥随机性实现的故意误码随机化。
• 确立了误码率作为评估密钥生成协议安全性比互信息更合适的准则。
• 提出将协议效率和对系统参数波动的敏感性作为评估和比较密钥生成协议的新基准。
• KCQ框架可使用具有相当能量的相干态实现，从而支持直接加密应用。
• 本文在附录中指出了先前协议无条件安全证明中明显的漏洞。