[论文解读] Repeatable classical one-time-pad crypto-system with quantum mechanics

Fu‐Guo Deng, Gui‐Lu Long|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出一种可重复使用的经典一次性密码加密系统，利用单光子量子态实现无条件安全，通过量子力学实现密钥重用。通过在制备的量子比特上施加幺正操作编码消息，并利用量子不可克隆性和测量坍缩特性，可检测窃听行为，使同一经典密钥在多次传输中安全重用而不损害安全性。

ABSTRACT

Classical one-time-pad key can only be used once. We show in this Letter that with quantum mechanical information media classical one-time-pad key can be repeatedly used. We propose a specific realization using single photons. The reason why quantum mechanics can make the classical one-time-pad key repeatable is that quantum states can not be cloned and eavesdropping can be detected by the legitimate users. This represents a significant difference between classical cryptography and quantum cryptography and provides a new tool in designing quantum communication protocols and flexibility in practical applications. Note added: This work was submitted to PRL as LU9745 on 29 July 2004, and the decision was returned on 11 November 2004, which advised us to resubmit to some specialized journal, probably, PRA, after revision. We publish it here in memory of Prof. Fu-Guo Deng (1975.11.12-2019.1.18), from Beijing Normal University, who died on Jan 18, 2019 after two years heroic fight with pancreatic cancer. In this work, we designed a protocol to repeatedly use a classical one-time-pad key to transmit ciphertext using single photon states. The essential idea was proposed in November 1982, by Charles H. Bennett, Gilles Brassard, Seth Breidbart, which was rejected by Fifteenth Annual ACM Symposium on Theory of Computing, and remained unpublished until 2014, when they published the article, Quantum Cryptography II: How to re-use a one-time pad safely even if P=NP, Natural Computing (2014) 13:453-458, DOI 10.1007/s11047-014-9453-6. We worked out this idea independently. This work has not been published, and was in cooperated into quant-ph 0706.3791 (Kai Wen, Fu Guo Deng, Gui Lu Long, Secure Reusable Base-String in Quantum Key Distribution), and quant-ph 0711.1632 (Kai Wen, Fu-Guo Deng, Gui Lu Long, Reusable Vernam Cipher with Quantum Media).

研究动机与目标

• 克服经典密码学中一次性密码密钥只能使用一次的根本限制。
• 开发一种协议，允许重复使用经典一次性密码密钥，同时保持无条件安全。
• 利用量子力学特性（如不可克隆性和测量坍缩）检测窃听，实现密钥重用。
• 提供一种实用且灵活的量子通信协议框架，结合经典一次性密码的安全性与量子信息载体。

提出的方法

• 基于长度为2N的共享经典密钥，将单光子制备在|0⟩、|1⟩、|+⟩或|−⟩态。
• 通过幺正操作编码秘密消息：对二进制位0使用恒等操作（I），对二进制位1使用泡利-Y操作（σy）于制备的光子。
• 通过量子信道传输编码后的光子，任何窃听尝试都会扰动量子态并可被检测。
• 传输后，接收方在正确基矢下测量，双方公开宣布基矢选择以验证信道安全性。
• 在公开宣布后丢弃基矢序列（MS），以防止密钥泄露，同时可对未来的传输重用经典密钥。
• 使用纠错和隐私放大技术减轻噪声影响，并将泄露给窃听者的资讯降至最低。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子通信框架中，经典一次性密码密钥能否被安全重用？
• RQ2 量子力学如何实现窃听检测，从而在不损害安全性的前提下实现密钥重用？
• RQ3 与标准BB84 QKD相比，该可重复系统中攻击者能获得的关于密钥的最大信息量是多少？
• RQ4 该协议能否在不使用单光子源的情况下实现，改用纠错码？
• RQ5 该系统中，量子信道的误码率与攻击者的信息泄露量之间存在何种关系？

主要发现

• 由于量子力学对窃听的检测能力，经典一次性密码密钥可被安全地多次重用，前提是其由单光子承载。
• 爱丽丝与爱丽丝之间关于测量基矢的互信息（I′AE）严格小于BB84 QKD，当误码率Dm ≤ 0.05时，I′AE < 0.41。
• 即使爱丽丝事先知道消息内容，该系统仍能实现完美保密，因为爱丽丝无法在不正确测量基矢下提取密钥。
• 系统通过量子不可克隆性和测量坍缩实现无条件安全，在安全信道条件下支持密钥重用。
• 该协议在低噪声条件下具有鲁棒性，即使在无理想单光子源的情况下，也可通过纠错码实现。
• 该方案避免了对量子存储的需求，支持单向传输，相较于双向量子一次性密码协议具有优势。