[论文解读] Quantum key distribution with trusted quantum relay

H. Bechmann-Pasquinucci, Andrea Pasquinucci|ArXiv.org|May 12, 2005

Quantum-Dot Cellular Automata参考文献 1被引用 13

一句话总结

本文提出一种可信量子中继（Trent），利用现有技术实现量子密钥分发（QKD）网络，其中Trent与爱丽丝和鲍勃协作执行截取/重发的窃听攻击。该协议通过级联中继实现点对点和多方QKD，覆盖更长距离，尽管每增加一个中继，密钥生成速率降低为1/4；在假设Trent可信且无窃听的前提下，安全性得以保持。

ABSTRACT

A trusted quantum relay is introduced to enable quantum key distribution links to form the basic legs in a quantum key distribution network. The idea is based on the well-known intercept/resend eavesdropping. The same scheme can be used to make quantum key distribution between several parties. No entanglement is required.

研究动机与目标

• 利用现有技术实现实用的量子密钥分发网络，克服点对点QKD的距离限制。
• 通过引入作为可信中介的可信中继，解决QKD基础设施缺乏可扩展性的问题，且无需量子中继或纠缠。
• 通过将中继作为网络节点，实现不同QKD平台（如光纤和自由空间）之间的互操作性。
• 探索使用可信中继实现多方QKD和网络拓扑的可行性。
• 分析在截取/重发攻击下协议的安全性，并评估其在信息论安全性方面与标准BB84的等价性。

提出的方法

• 可信量子中继（Trent）对爱丽丝发送的量子比特在X基或Y基进行测量，并将测得的态重新发送给鲍勃，模拟窃听者行为但协同工作。
• 测量后，Trent公布每个量子比特所使用的基，使爱丽丝和鲍勃能够通过仅保留三方使用相同基的记录完成筛选。
• 该协议基于BB84协议，仅在筛选后由爱丽丝和鲍勃执行经典后处理（纠错和隐私放大）。
• 由于基不匹配，密钥速率每增加一个中继降低为1/4，N个中继时速率为1/2^(N+1)。
• 提出一种改进协议，中继执行经典密钥交换（秘密密钥的异或），在不增加量子资源的前提下扩展距离。
• 提出星型和全连接网络拓扑，中继通过光纤连接城市区域，通过自由空间或卫星连接城际链路。

实验结果

研究问题

• RQ1 可信量子中继是否能在不依赖量子中继或纠缠的前提下，利用现有技术实现可扩展的QKD网络？
• RQ2 在多跳QKD链中，可信中继数量增加时，密钥生成速率如何变化？
• RQ3 当可信中继被攻破或主动窃听时，协议的安全级别如何？
• RQ4 该协议是否支持多方QKD以及不同QKD平台（如光纤和自由空间）之间的互操作性？
• RQ5 可信中继协议在多大程度上能将QKD的有效距离扩展超过标准光纤系统100公里的限制？

主要发现

• 可信量子中继通过级联中继使QKD网络成为可能，即使爱丽丝和鲍勃相距超过100公里，也能建立秘密密钥。
• 由于基不匹配，每增加一个中继，密钥生成速率降低为1/4，N个中继时速率为1/2^(N+1)。
• 在假设中继可信且经典通信期间不泄露信息的前提下，协议的安全性等价于标准BB84。
• 试图执行截取/重发攻击的窃听者获得的信息量不会超过标准BB84，表明协议保持了信息论安全性。
• 使用秘密密钥异或的古典中继协议可在不增加额外量子资源的前提下扩展距离，但中继需运行两个完整的QKD协议。
• 最终秘密密钥长度受限于N+1个初始密钥中最短的一个，但隐私放大可消除公开宣布异或时泄露的N·L比特信息。