[论文解读] Quantum memory in quantum cryptography

Tal Mor|ArXiv.org|Jun 21, 1999

Quantum Information and Cryptography参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文研究了量子存储器在量子密钥分发（QKD）中的作用，提出拥有量子存储器的窃听者可通过存储量子态实施强大攻击。本文引入基于量子纠错的量子隐私放大技术，并证明即使面对此类攻击者，QKD 依然保持安全，同时提出一种新型 QKD 方案，使用量子存储器替代量子信道，以实现可扩展网络中的密钥分发。

ABSTRACT

[Shortened abstract:] This thesis investigates the importance of quantum memory in quantum cryptography, concentrating on quantum key distribution schemes. In the hands of an eavesdropper -- a quantum memory is a powerful tool, putting in question the security of quantum cryptography; Classical privacy amplification techniques, used to prove security against less powerful eavesdroppers, might not be effective when the eavesdropper can keep quantum states for a long time. In this work we suggest a possible direction for approaching this problem. We define strong attacks of this type, and show security against them, suggesting that quantum cryptography is secure. We start with a complete analysis regarding the information about a parity bit (since parity bits are used for privacy amplification). We use the results regarding the information on parity bits to prove security against very strong eavesdropping attacks, which uses quantum memories and all classical data (including error correction codes) to attack the final key directly. In the hands of the legitimate users, a quantum memory is also a useful tool. We suggest a new type of quantum key distribution scheme where quantum memories are used instead of quantum channels. This scheme is especially adequate for networks of many users. The use of quantum memory also allows reducing the error rate to improve large scale quantum cryptography, and to enable the legitimate users to work with reasonable error rate.

研究动机与目标

• 分析配备量子存储器的窃听者对量子密钥分发（QKD）构成的威胁。
• 评估当窃听者能够长期存储量子态时，经典隐私放大技术的局限性。
• 开发一种新的安全框架，以应对利用量子存储器和经典数据的强攻击。
• 提出一种新型 QKD 协议，用量子存储器替代量子信道，提升多用户网络中的可扩展性。
• 探索量子存储器在大规模量子密码学中作为威胁与工具的双重角色。

提出的方法

• 分析在量子存储器攻击下单个奇偶校验位的信息获取量，为安全分析奠定基础。
• 利用奇偶校验位信息结果，证明对那些存储量子态并使用全部经典数据（包括纠错码）的窃听者具有安全性。
• 提出基于量子纠错码的量子隐私放大技术，以对抗依赖存储器的攻击。
• 提出一种新型 QKD 协议，其中量子存储器取代量子信道，实现在网络环境中的密钥分发。
• 证明量子中继器可被重新用于 QKD，利用量子存储器实现远距离安全通信。

实验结果

研究问题

• RQ1 配备量子存储器的窃听者是否能通过存储并随后测量量子态，破坏标准 QKD 协议的安全性？
• RQ2 当窃听者能够长期存储量子信息时，经典隐私放大技术的有效性如何？
• RQ3 能否利用量子纠错技术设计一种对存储器辅助窃听具有鲁棒性的新型隐私放大形式？
• RQ4 是否可行构建一种使用量子存储器而非量子信道进行密钥分发的 QKD 协议？
• RQ5 能否将量子中继器改造为 QKD 的平台，以提升可扩展性和抗错误能力？

主要发现

• 配备量子存储器的窃听者可能利用存储的量子态实施比以往考虑更强的攻击，从而对标准 QKD 协议的安全性构成挑战。
• 当窃听者保留量子信息并使用全部经典数据（包括纠错码）时，经典隐私放大技术不足以应对。
• 基于量子纠错的量子隐私放大技术提供了一种可行方法，可在窃听者使用量子存储器的情况下维持安全性。
• 提出了一种使用量子存储器替代量子信道的新型 QKD 协议，特别适用于多用户网络。
• 使用量子存储器可降低 QKD 的有效误码率，使在合理误码阈值下实现实用的大规模量子密码学成为可能。