[论文解读] Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing

C. H. Bennett, Brassard, Gilles|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2020

Chaos-based Image/Signal Encryption被引用 5,308

一句话总结

本文解释了量子信道如何实现安全公钥分发（量子密钥分发）和量子掷硬币协议，能防御常规作弊但对某些量子悖论存在漏洞。

ABSTRACT

When elementary quantum systems, such as polarized photons, are used to transmit digital information, the uncertainty principle gives rise to novel cryptographic phenomena unachievable with traditional transmission media, e.g. a communications channel on which it is impossible in principle to eavesdrop without a high probability of disturbing the transmission in such a way as to be detected. Such a quantum channel can be used in conjunction with ordinary insecure classical channels to distribute random key information between two users with the assurance that it remains unknown to anyone else, even when the users share no secret information initially. We also present a protocol for coin-tossing by exchange of quantum messages, which is secure against traditional kinds of cheating, even by an opponent with unlimited computing power, but ironically can be subverted by use of a still subtler quantum phenomenon, the Einstein-Podolsky-Rosen paradox.

研究动机与目标

• 激发人们认识到量子系统中的不确定性如何使通信中的窃听检测成为可能。
• 描述利用量子信道和不安全的经典信道分发随机密钥信息的协议。
• 介绍对传统作弊行为有效的量子掷硬币协议。
• 讨论量子现象对密码学任务的局限性及潜在的量子悖论弱点。

提出的方法

• 描述使用初等量子系统（例如极化光子）来传输信息。
• 解释窃听者在传输中必然会产生扰动，从而实现检测。
• 概述使用不安全的经典信道的量子密钥分发协议。
• 提出对传统作弊策略有抗性的量子掷硬币协议。
• 指出爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）可能的颠覆。

实验结果

研究问题

• RQ1 当与不安全的经典信道配对时，量子信道是否能够实现密钥信息的安全分发？
• RQ2 是否有可能实现一个对无限能力对手仍然安全的掷硬币协议？
• RQ3 由于纠缠等量子现象，量子密码学协议存在哪些局限？

主要发现

• 量子信道能够分发其他人未知的随机密钥信息，即使没有初始的共享秘密。
• 通过量子信息的掷硬币协议对传统作弊和无限能力对手都是安全的。
• 然而，该协议可以通过利用爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论来颠覆，揭示由于更深层的量子现象带来的局限性。