[论文解读] Quantum Cryptography Using Einstein-Podolsky-Rosen Correlations of Continuous Variables

Jietai Jing, Qing Pan+2 more|ArXiv.org|Apr 19, 2002

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于明亮光束中爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）关联的连续变量量子密码方案，其中仅将一个纠缠光束传输用于密钥编码，而另一个光束由接收方保留。该方案通过量子噪声屏蔽和EPR非定域性实现100%的传输效率和安全性，实验可行性已通过非简并光学参量放大器（NOPA）得到验证。

ABSTRACT

Quantum cryptography with the predetermined key was experimentally realized using Einstein-Podolsky-Rosen(EPR) correlations of continuously bright optical beams. Only one of two EPR correlated beams is transmitted with the signals modulated on quadrature phases and amplitudes, and the other one is retained by the authorized receiver. The modulated small signals are totally submerged in the large quantum noise of the signal beam, therefore nobody except the authorized receiver can decode the signals. Usability of imperfect quantum correlation, high transmission and detection efficiencies, and security provided by quantum mechanics are the favorable features of the presented scheme.

研究动机与目标

• 开发一种使用连续变量而非离散量子比特的实用化量子密钥分发协议。
• 克服基于单光子的QKD的局限性，如数据速率低和探测效率低。
• 在保持量子级别安全性的前提下，利用明亮、经典可访问的光束实现安全通信。
• 证明信号编码可隐藏在EPR关联光束的量子噪声之中。
• 提供一种鲁棒且实验可行的方案，通过量子关联监测对窃听行为具有抗性。

提出的方法

• 非简并光学参量放大器（NOPA）生成具有反相关振幅正交分量和相关相位正交分量的明亮EPR光束。
• 仅将信号光束（一个EPR模式）传输至爱丽丝，而闲置光束（另一个模式）由鲍勃保留。
• 爱丽丝通过在射频频率上调制信号光束的振幅和相位正交分量来编码二进制密钥比特。
• 调制信号被嵌入信号光束的固有量子噪声中，使窃听者无法探测。
• 鲍勃通过直接光电流检测正交分量的和与差，利用保留的闲置光束解码信号。
• 通过监测信号与闲置光束之间的信噪比（SNR）和相关度来验证安全性；偏差表明存在窃听。

实验结果

研究问题

• RQ1 连续变量光束中的EPR关联能否实现高传输效率的安全量子密钥分发？
• RQ2 如何通过将信号编码嵌入量子噪声中，使其对窃听者不可探测？
• RQ3 在何种条件下，量子噪声屏蔽可确保对截取-重发攻击和量子非破坏性测量的防护？
• RQ4 如何通过监测EPR光束的关联度和信噪比来检测窃听？
• RQ5 实验中的非理想因素（如损耗和探测器效率低下）在多大程度上可被容忍而不影响安全性？

主要发现

• 该方案实现了100%的传输效率，因为所有传输的比特均用于密钥生成，无需丢弃比特。
• 当 r > 0.27 时，信号光束的量子噪声超过EPR关联噪声，从而实现有效的信号掩蔽。
• 光电流和与差的均方根（rms）噪声电压分别测量为568.64 μV和655.29 μV，证实了强量子关联。
• 当信号光束被阻断时，强度涨落之间不存在反相关性，表明存在窃听，从而可检测拦截行为。
• 爱丽丝使用虚假EPR光束的尝试可被检测，因为虚假光束的涨落与鲍勃站的闲置光束不相关。
• 由于海森堡不确定性原理和量子涨落的不可克隆性，该协议对量子非破坏性测量保持安全。