[论文解读] Postselection Strategies for Continuous-Variable Quantum Key Distribution Protocols with Quadrature Phase-Shift Keying Modulation

Florian Kanitschar, Christoph Pacher|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 23被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于连续变量量子密钥分发（CV-QKD）的十字形后选择策略，采用正交相位移键控调制，显著提升了长距离和高噪声条件下的安全密钥率。通过数值安全证明，结果表明即使80%的原始数据被丢弃，密钥率仍可保持在非后选择情况下的80%以上，在可信和不可信探测器模型下均优于径向后选择策略。

ABSTRACT

We use a recent numerical security proof technique to analyse three different postselection strategies for continuous-variable quantum key distribution protocols (CV-QKD) with quadrature phase-shift keying modulation. For all postselection strategies studied we provide novel analytical results for the operators that define the respective regions in phase space. In both, the untrusted and trusted detector model, a new, cross-shaped postselection strategy, clearly outperforms a state-of-the-art radial postselection scheme for higher transmission distances and higher values of noise. Motivated by the high computational effort for the error-correction phase we also studied the case when a large fraction of the raw key is eliminated by postselection: We observe that the secure key rate in case that only $20\%$ of the raw key passes the cross-shaped postselection is still roughly $80\%$ of the secure key rate without postselection for low values of excess noise and roughly $95\%$ for higher values of excess noise. Furthermore, we examine a strategy with radial and angular postselection that combines both the advantages of state-of-the-art radial postselection schemes and our cross-shaped strategy at the cost of higher complexity. Employing the cross-shaped postselection strategy, that can easily be introduced in the data processing, both new and existing CV-QKD systems can improve the achievable secure key rates significantly.

研究动机与目标

• 分析并改进连续变量量子密钥分发（CV-QKD）中采用正交相位移键控（QPSK）调制的后选择策略。
• 在存在高附加噪声和长传输距离等实际条件下，评估不同后选择策略的性能。
• 通过有效后选择最小化需处理的原始密钥量，降低纠错的计算成本。
• 识别一种实用且易于实现的后选择方法，以提升现有及新型CV-QKD系统中的安全密钥率。

提出的方法

• 作者采用最近发展的数值安全证明技术，分析了在可信和不可信探测器模型下三种后选择策略。
• 推导了定义十字形和径向后选择区域的相空间算符的新解析表达式。
• 十字形策略旨在针对相空间中能最大化信息提取同时最小化噪声影响的特定区域。
• 提出了一种混合径向-角度后选择策略，以在增加复杂度的代价下结合径向与十字形方法的优势。
• 在不同附加噪声水平和传输距离下评估性能，重点关注安全密钥率和计算负载。
• 量化了后选择效率与密钥率之间的权衡，特别是在仅20%原始密钥通过后选择时的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高附加噪声和长距离条件下，十字形后选择策略与径向后选择策略在安全密钥率方面有何差异？
• RQ2 在存在附加噪声的情况下，仅后选择20%原始密钥时，最终安全密钥率受到何种影响？
• RQ3 混合径向-角度后选择策略能否在保持实用性的同时结合径向与十字形方法的优势？
• RQ4 采用如十字形方法等激进后选择策略时，纠错的计算成本如何变化？
• RQ5 现有CV-QKD系统在不进行硬件改动的情况下，能在多大程度上受益于实施十字形后选择策略？

主要发现

• 十字形后选择策略在可信和不可信探测器模型下均优于径向后选择策略，尤其在高传输距离和高附加噪声水平下表现更优。
• 当仅20%的原始密钥通过十字形后选择时，低附加噪声条件下安全密钥率仍约为非后选择情况的80%。
• 在较高附加噪声水平下，20%后选择后的安全密钥率仍保持在非后选择情况的约95%，表明对噪声具有强鲁棒性。
• 混合径向-角度后选择策略成功结合了径向与十字形方法的优势，但带来了更高的实现复杂度。
• 十字形策略可轻松集成到现有及新型CV-QKD系统中，无需硬件修改即可显著提升可实现的安全密钥率。