[论文解读] Quantum Secure Direct Communication with Mutual Authentication using a Single Basis

Nayana Das, Goutam Paul+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 62被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种新颖的量子安全直接通信（QSDC）协议，仅使用单个正交基的单量子比特态即可实现单向、一次性秘密信息传输，无需纠缠。该协议通过共享身份实现相互认证，并在近期量子设备的噪声环境下表现出鲁棒性，通过3量子比特重复码确保在通道长度低于350个身份门时的可靠传输。

ABSTRACT

In this paper, we propose a new theoretical scheme for quantum secure direct communication (QSDC) with user authentication. Different from the previous QSDC protocols, the present protocol uses only one orthogonal basis of single-qubit states to encode the secret message. Moreover, this is a one-time and one-way communication protocol, which uses qubits prepared in a randomly chosen arbitrary basis, to transmit the secret message. We discuss the security of the proposed protocol against some common attacks and show that no eaves-dropper can get any information from the quantum and classical channels. We have also studied the performance of this protocol under realistic device noise. We have executed the protocol in IBMQ Armonk device and proposed a repetition code based protection scheme that requires minimal overhead.

研究动机与目标

• 设计一种仅使用一个正交基进行编码的QSDC协议，与多基方案相比简化了实现。
• 在不使用纠缠的情况下，实现发送方与接收方之间的相互身份认证。
• 评估该协议在真实量子硬件中对噪声的鲁棒性，特别是退相干和门错误的影响。
• 提出一种适用于近期含噪声中等规模量子（NISQ）设备的最小开销纠错方案。
• 在IBMQ Armonk量子处理器上展示该协议的可行性与性能。

提出的方法

• 使用任意正交基（由角度θ定义）将秘密信息编码到准备为|0⟩或|1⟩态的单量子比特中。
• 采用酉变换Uθ将量子比特旋转至所选基，确保攻击者在无先验知识的情况下无法确定基。
• 通过在辅助量子比特序列中使用计算基和Hadamard基编码发送方与接收方的身份，实现相互认证。
• 通过随机插入的校验位执行安全性检查，Alice公开宣布位置和值以检测窃听行为。
• 应用3量子比特重复码纠正由噪声引起的比特翻转错误，仅在通道长度低于350个身份门时应用该编码。
• 在IBMQ Armonk上执行协议，将量子信道建模为一系列身份门，以模拟有限传输时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅使用单个单量子比特态的基，无需纠缠，实现无条件安全和相互身份认证的QSDC协议？
• RQ2 基角θ的选择如何影响协议在噪声量子环境中的性能？
• RQ3 信道长度（身份门数量）对真实噪声设备中消息传输成功率概率的影响是什么？
• RQ4 最小开销纠错方案——特别是3量子比特重复码——是否能有效保护NISQ设备中的协议免受噪声影响？
• RQ5 3量子比特重复码无法维持可靠传输的信道长度阈值是多少？

主要发现

• 在所有测试角度下，|0⟩和|1⟩态的协议成功率均高于0.9，且θ值对性能无显著影响。
• |1⟩态的传输比|0⟩态更容易出错，这是由于T1退相干导致，因此|1⟩态的平均成功率较低。
• 有效误码率建模为(1 - perror)^γn，其中|0⟩态的γ ≈ 0.18，|1⟩态的γ ≈ 0.21，表明|1⟩态对噪声更敏感。
• 由于基的随机选择和校验位验证，协议对常见攻击（如截获重发攻击和拒绝服务攻击）保持安全。
• 只要信道长度低于约350个身份门，3量子比特重复码足以维持可靠传输。
• 该协议在近期量子设备中具有鲁棒性和实用性，仅需单量子比特操作，无需复杂的逻辑量子比特制备。