[论文解读] Making Existing Quantum Position Verification Protocols Secure Against Arbitrary Transmission Loss

Rene Allerstorfer, Andreas Blühm+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 49被引用 2

一句话总结

本文提出 c-QPVf_BB84，一种改进的量子位置验证协议，通过引入证明者承诺阶段、光子存在检测和时间延迟，即使在任意信道损耗下也能实现对纠缠攻击者的强安全防护。该协议仅将有效损耗限制在证明者实验室内部，从而在实验条件可行的前提下实现安全的远距离位置验证，并具备抵御自适应攻击的可扩展安全性。

ABSTRACT

A non-local quantum computation (NLQC) replaces an interaction between two quantum systems with a single simultaneous round of communication and shared entanglement. We study two classes of NLQC, f-routing and f-BB84, which are of relevance to classical information theoretic cryptography and quantum position-verification. We give the first non-trivial lower bounds on entanglement in both settings, but are restricted to lower bounding protocols with perfect correctness. Within this setting, we give a lower bound on the Schmidt rank of any entangled state that completes these tasks for a given function f(x,y) in terms of the rank of a matrix g(x,y) whose entries are zero when f(x,y) = 0, and strictly positive otherwise. This also leads to a lower bound on the Schmidt rank in terms of the non-deterministic quantum communication complexity of f(x,y). Because of a relationship between f-routing and the conditional disclosure of secrets (CDS) primitive studied in information theoretic cryptography, we obtain a new technique for lower bounding the randomness complexity of CDS.

研究动机与目标

• 解决量子位置验证（QPV）协议在验证者与证明者之间存在信号损耗时的关键脆弱性。
• 开发一种在任意信道损耗下仍保持安全的协议，尤其适用于长距离场景。
• 通过降低攻击者所需的最大纠缠资源，同时保持诚实证明者对量子资源的低需求，使 QPV 具备实际可行性。
• 通过采用可实现的组件（如非破坏性光子存在检测或部分贝尔测量）确保实验上的可行性。
• 提供一种可扩展的损耗容忍框架，适用于除 QPVf_BB84 外的广泛 QPV 协议类别。

提出的方法

• 引入一个承诺阶段，证明者在接收量子输入前即承诺参与，从而防止自适应攻击。
• 在证明者端采用光子存在检测，以验证信号接收情况，而无需测量量子比特态，从而保持量子相干性。
• 在证明者端引入一个固定的小时间延迟，以同步操作并防止基于时间的攻击。
• 将有效损耗率降低至仅证明者实验室内部损耗，使远距离验证成为可能。
• 采用改进的协议结构，即使攻击者共享纠缠态，只要无法攻破承诺阶段，协议仍能保证安全。
• 提出两种实验实现方案：一种是长期非破坏性检测方法，另一种是利用标准光学元件的近中期部分贝尔测量方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 QPV 协议能否在验证者与证明者之间存在任意信道损耗的情况下实现安全？
• RQ2 在 QPV 协议中，证明者端的承诺机制能否有效防止自适应攻击？
• RQ3 当前或近中期技术是否能够实现 QPV 所需的光子存在检测？
• RQ4 在现实损耗和噪声条件下，QPVf_BB84 的安全性是否仍能保持？
• RQ5 承诺机制是否具有可扩展性，使得攻击者所需资源随经典输入规模增长？

主要发现

• 只要证明者内部损耗较低，c-QPVf_BB84 协议即可在任意信道损耗下对纠缠攻击者实现信息论级安全。
• 该协议将有效损耗率降低至仅证明者实验室内部，从而实现了比以往更远距离的安全 QPV。
• 协议对非自适应和自适应攻击策略均保持安全，且攻击者所需资源随协议轮次数量增长。
• 协议可通过标准光学元件和常规单光子探测器，借助部分贝尔态测量实现，具有近期实验可行性。
• 光子存在检测可通过非破坏性方法或简化的部分贝尔测量实现，两者均在当前技术水平可实现。
• 由于结构化的承诺阶段和同步操作，协议安全性在攻击者试图利用时间或承诺漏洞时依然稳健。