[论文解读] Measurement-device-independent QSDC protocol using Bell and GHZ states on quantum simulator

Arunaday Gupta, Bikash K. Behera+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 21被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于贝尔态和GHZ纠缠态的测量设备无关量子安全直接通信（MDI-QSDC）协议，该协议在IBM Quantum Experience平台上实现。通过利用纠缠交换和第三方测量模型，该协议可抵御测量设备攻击，并实现无需密钥分发的直接秘密消息传输，其安全性通过量子电路仿真和基于内积的窃听检测方法得到验证。

ABSTRACT

Secure cryptographic protocols are indispensable for modern communication systems. It is realized through an encryption process in cryptography. In quantum cryptography, Quantum Key Distribution (QKD) is a widely popular quantum communication scheme that enables two parties to establish a shared secret key that can be used to encrypt and decrypt messages. But security loopholes still exist in this cryptographic protocol, as an eavesdropper can in principle still intercept all the ciphertext to perform cryptanalysis and the key may get leaked to the eavesdropper, although it happens very rarely. However, there exists a more secure quantum cryptographic scheme known as Quantum Secure Direct Communication (QSDC) protocol that eliminates the necessity of key, encryption and ciphertext transmission. It is a unique quantum communication scheme where secret information is transmitted directly over a quantum communication channel. We make use of measurement-device-independent (MDI) protocol in this scheme where all the measurements of quantum states during communication are performed by a third party that can be untrusted or even an eavesdropper. This eliminates all loopholes in practical measurement devices. Here, we realize this MDI-QSDC protocol using Bell and GHZ states in the IBM Quantum Experience platform and implement swapping circuits for security check.

研究动机与目标

• 开发一种安全的量子通信协议，消除密钥分发和密文传输的需求。
• 解决由于测量设备不完善导致的实际量子通信系统中的安全漏洞。
• 在真实量子平台上使用贝尔态和GHZ纠缠态实现测量设备无关（MDI）QSDC协议。
• 通过量子电路仿真和基于内积的窃听检测方法验证协议的安全性。
• 在IBM Quantum Experience上展示利用纠缠交换和超密集编码实现直接、安全消息传输的可行性。

提出的方法

• 该协议使用贝尔态和GHZ态作为纠缠资源态，实现爱丽丝与鲍勃之间的安全通信。
• 通过第三方（查理）对贝尔基进行测量，应用纠缠交换，使爱丽丝和鲍勃的量子比特实现纠缠。
• 实现一个交换电路，用于计算初始与最终量子态之间的内积，以检测窃听行为。
• 在爱丽丝的量子比特上应用Z门操作以编码消息，从而实现超密集编码以实现直接传输。
• 查理对第三方的量子比特执行GHZ基测量，使态坍缩并揭示编码的消息。
• 该协议通过在IBM Quantum Experience平台上使用真实量子电路和基于直方图的状态验证方法进行仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在真实量子平台上有效实现基于贝尔态和GHZ纠缠态的测量设备无关QSDC协议？
• RQ2 如何利用纠缠交换以设备无关的方式安全地连接远程量子比特？
• RQ3 基于内积的交换电路在实际QSDC设置中能否可靠检测窃听行为？
• RQ4 在仿真环境中，该协议在多大程度上能抵御测量设备攻击？
• RQ5 如何将超密集编码整合到MDI-QSDC框架中以实现直接消息传输？

主要发现

• MDI-QSDC协议成功实现了无需密钥分发或密文传输的直接、安全的秘密消息传输。
• 贝尔态与GHZ态之间的纠缠交换实现了爱丽丝与鲍勃之间的远程纠缠，该结果通过量子电路仿真得到验证。
• 通过交换电路计算的内积能有效检测窃听行为，当无窃听发生时，结果未显示显著偏差。
• 来自IBM Quantum Experience的直方图结果表明，鲍勃能够正确解码通过超密集编码发送的消息，验证了协议的功能性。
• 通过将所有测量操作委托给不可信的第三方（查理），该协议表现出对测量设备攻击的免疫能力。
• 在IBM Quantum Experience上的实现证实了使用标准量子门和测量协议实现MDI-QSDC的可行性。