[论文解读] Qudit-Based Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution Using Linear Optics

H. F. Chau, Cardythy Wong+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本文提出了一种通用的、测量设备无关（MDI）的量子密钥分发（QKD）框架，适用于使用线性光学的高维系统（qudit），可实现对现有基于高维的QKD方案（如RRDPS和Chau15）的可证明安全实现。该框架引入了一种基于Goyal等人提出的高维量子隐形传态方案的线性光学兼容的纠缠交换协议，在抵御探测器侧信道攻击的同时，保持与实际光子实现的兼容性。

ABSTRACT

Measurement-device-independent (MDI) method is a way to solve all detector side-channel attacks in quantum key distribution (QKD). However, very little work has been done on experimentally feasible qudit-based MDI-QKD scheme although the famous (qudit-based) round-robin differential-phase-shift (RRDPS) scheme is vulnerable to attacks on uncharacterized detectors. Here we report a mother-of-all QKD protocol on which all provably secure qubit-based QKD schemes known to date including the RRDPS and the so-called Chau15 schemes are based. We also report an experimentally feasible MDI system via optical implementation of entanglement swapping based on a recent qudit teleportation proposal by Goyal et al. In this way, we show that all provably secure qudit-based QKD schemes discovered to date can be made MDI.

研究动机与目标

• 解决基于高维的QKD方案（如RRDPS和Chau15）对探测器侧信道攻击的脆弱性。
• 开发一种通用的、可证明安全的MDI框架，用于高维QKD，以关闭所有探测器漏洞。
• 实现基于线性光学和光子技术的MDI-QKD实验可行性。
• 证明基于隐形传态的测量与高维态制备协议之间的兼容性。
• 提供一个统一的“母体”MDI方案，可退化为已知的安全高维QKD协议。

提出的方法

• 提出一种基于纠缠浓缩的“母体”MDI-QKD方案，使用Alice和Bob制备的纠缠态 |Φ₀₀⟩ = Σᵢ∈GF(N) |i,i⟩/√N。
• 采用Charlie在基 { |Φₐᵦ⟩ = Σᵢ∈GF(N) (-1)ᵀʳ(ᵦᵢ) |i,i+a⟩ / √N } 上进行测量，其中a,b ∈ GF(N)，Tr(i) 表示在GF(N)上的绝对迹。
• 提出一种通过投影到反对称态 |Ψ⟩ = Σₚ∈S(N) ε(P) Πᵢ∈GF(N) a†ᵢ,P(i) |Ω⟩ / √N! 实现的线性光学纠缠交换方案，使用光子数分辨探测器。
• 改编Goyal等人提出的高维隐形传态方案，仅使用线性光学实现对特定贝尔类态的部分、概率性投影。
• 通过将直接测量替换为Charlie在{ |Φₐᵦ⟩ }基上的纠缠交换测量，将RRDPS和Chau15协议修改为MDI操作模式。
• 利用逻辑编码和基识别，将反对称态 |Ψ⟩ 映射到特定的 |Φ₀ⱼ⟩ 态，通过相位差的模运算实现密钥比特提取。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一个通用的MDI-QKD框架，使其可退化为所有已知的可证明安全的高维QKD方案？
• RQ2 是否可能仅使用线性光学和光子元件实现高维MDI-QKD所需的纠缠交换？
• RQ3 能否在保持密钥速率和兼容性的同时，使RRDPS和Chau15方案的MDI版本对探测器攻击具有安全性？
• RQ4 使用线性光学和光子数分辨能力，对高维量子态投影到特定纠缠态的可行性如何？
• RQ5 如何使基于隐形传态的测量与非Clifford类的高维态制备协议（如Chau15）兼容？

主要发现

• 所提出的“母体”MDI-QKD方案在单一基于纠缠的框架下统一了所有已知的可证明安全的高维QKD协议，包括RRDPS和Chau15。
• 通过将测量任务委托给不受信任的Charlie，利用纠缠交换，该方案实现了对探测器侧信道攻击的完全安全性。
• 通过投影到反对称高维态 |Ψ⟩ 的线性光学实现被展示，该态将贝尔singlet态推广至高维系统。
• 线性光学投影的成功概率为1/N²，因此该方案仅在小N时具有实际可行性，但已证明其原理上的可行性。
• 从“母体”方案成功推导出MDI-RRDPS和MDI-Chau15方案，密钥比特通过相位差的模运算提取。
• 该方法确保了隐形传态测量与态制备之间的兼容性，解决了早期简单MDI实现中出现的不兼容问题。