[论文解读] Multiparty key distribution and secret sharing based on entanglement swapping

Adán Cabello|ArXiv.org|Sep 7, 2000

Quantum Mechanics and Applications被引用 16

一句话总结

本文提出了一种基于纠缠交换的多用户量子密钥分发与秘密共享协议，利用Greenberger-Horne-Zeilinger（GHZ）态实现。该协议通过贝尔态和GHZ态测量，在多个用户间实现安全密钥分发，其安全性通过高概率检测篡改行为得到证明，相比先前协议具有更高效率，因减少了被拒绝的量子数据量，并降低了用于检测窃听的经典比特比较数量。

ABSTRACT

A general proof of the security against eavesdropping of a previously introduced protocol for two-party quantum key distribution based on entanglement swapping [Phys. Rev. A {\bf 61}, 052312 (2000)] is provided. In addition, the protocol is extended to permit multiparty quantum key distribution and secret sharing of classical information.

研究动机与目标

• 将基于纠缠交换的两方量子密钥分发协议扩展至支持多个用户间的安全多用户密钥分发。
• 设计一种经典信息的秘密共享方案，要求多个用户协作才能重构共享密钥。
• 证明所提协议在多粒子纠缠交换背景下对窃听攻击的安全性。
• 通过消除传输量子数据的拒绝，提高协议效率，与先前协议不同。
• 通过提高篡改检测概率，减少用于窃听检测的比特数量。

提出的方法

• 协议首先在N个用户之间制备纠缠的GHZ态，每位用户持有该态的一个量子比特。
• 爱丽丝对她的两个量子比特进行贝尔态测量，通过纠缠交换将其纠缠，测量结果定义了密钥的一部分。
• 每位用户对其接收到的量子比特和自己的量子比特执行贝尔态测量，产生一个秘密测量结果。
• 测量完成后，用户将未使用的量子比特送回爱丽丝，她对返回的量子比特执行完整的GHZ态判别，以确定最终态。
• 爱丽丝公开宣布其GHZ态测量结果，使每位用户能够基于自身秘密测量结果和爱丽丝的公开结果推断出密钥位。
• 安全性依赖于：任何窃听行为都会以概率(2^N - 1)/2^N改变预期结果，从而可通过极少的经典通信实现检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 纠缠交换能否推广至实现N个用户的多用户安全量子密钥分发？
• RQ2 如何利用多粒子纠缠和纠缠交换构建经典信息的秘密共享协议？
• RQ3 所提协议对窃听攻击的安全性证明是什么，特别是检测概率方面？
• RQ4 本协议在量子数据拒绝和经典比特比较方面与先前协议相比效率如何？
• RQ5 GHZ态判别在统一框架下实现密钥分发与秘密共享中起什么作用？

主要发现

• 该协议通过使用GHZ态的纠缠交换，实现了安全的多用户量子密钥分发，使N个用户能够共享一个共同密钥。
• 经典信息的秘密共享得以实现，只有当所有用户（除爱丽丝外）协作时，才能重构完整密钥，其中第二个密钥位需要集体输入。
• 检测窃听者的概率为(2^N - 1)/2^N，随用户数增加而提高，显著提升了检测效率。
• 该协议消除了传输量子数据的拒绝，相比那些丢弃不匹配量子比特对的协议，效率更高。
• 安全性通过证明任何窃听行为都会不可预测地改变最终测量结果，从而在极少经典通信下实现高度可能的检测。
• 该方法可扩展用于分发量子信息，并通过小幅修改实现量子态的秘密共享。