[论文解读] Semi-quantum key distribution protocol using Bell state

Zhiwei Sun, Ruigang Du+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2011

Quantum Mechanics and Applications被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种使用偏振纠缠贝尔态的半量子密钥分发（SQKD）协议，使经典Bob能够与量子Alice参与密钥交换。通过利用纠缠光子对和受控反射/筛选机制，该协议实现了1/8的高效率，并对窃听具有完全鲁棒性，其安全性与全量子协议相当，同时降低了资源开销。

ABSTRACT

A quantum key distribution protocol with classical Bob based on polarization entangled photon pairs is presented. It approximates a single photon and exploited the inherent randomness of quantum measurements to attain highly secure keys and high efficiency of the transmission.

研究动机与目标

• 设计一种半量子密钥分发协议，其中仅一方（Alice）执行量子操作，而另一方（Bob）为经典操作。
• 在BKM2007等先前的SQKD协议基础上提高效率，后者仅使用传输粒子的3/4进行密钥生成。
• 利用偏振纠缠贝尔态以增强安全性并近似单光子行为，降低对光束分离器攻击的脆弱性。
• 证明该协议完全鲁棒，即任何窃听尝试都会引发可检测的错误。
• 证明该协议的效率高于BKM2007，并与ZQLWL2009的效率相当。

提出的方法

• 该协议使用四种贝尔态：|ϕ⁺⟩、|ϕ⁻⟩、|ψ⁺⟩和|ψ⁻⟩，其中|ϕ⁺⟩和|ψ⁺⟩分别编码经典比特0和1。
• Alice准备N = 4n(1+δ)个处于|ϕ⁺⟩态的EPR对，并将其分为两序列：H序列（本地）和T序列（传输）。
• Bob接收T序列后，要么反射光子（CTRL），要么在计算基下测量它们（SIFT），然后将其送回。
• Alice对返回的T序列与H序列进行贝尔态测量，以验证纠缠并检测窃听。
• 该协议使用一种筛选机制，仅使用CTRL和SIFT情形进行密钥生成，其余情形用于窃听检测。
• 应用隐私放大以减少Eve可能获得的任何残留信息，确保无条件安全性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否基于纠缠贝尔态构建一种半量子密钥分发协议，以在效率和安全性方面优于现有协议？
• RQ2 使用纠缠光子对而非衰减激光脉冲是否能降低对光束分离器攻击的脆弱性？
• RQ3 所提出的协议是否完全鲁棒，即任何窃听尝试都会引发可检测的错误？
• RQ4 该协议在密钥生成速率方面相对于量子比特和经典比特传输的效率如何？
• RQ5 该协议能否在允许经典Bob仅执行计算基下的测量和态准备的同时，保持高安全性？

主要发现

• 该协议的效率约为1/8，高于BKM2007（约1/16），并与ZQLWL2009的效率相当。
• 该协议完全鲁棒，即任何试图获取INFO字符串信息的窃听行为必然引发可检测的错误。
• 除非Eve准备与系统无关的伪造态，否则无法在不被发现的情况下获取信息，这使其信息获取量被限制在可忽略水平。
• 使用参量下转换产生的纠缠光子对可近似实现高比特率、低多光子发射概率的单光子源。
• 该协议使用除用于窃听检测外的所有贝尔态，以最大化密钥生成效率。
• 安全性通过量子力学的线性性质以及Eve的任何幺正相互作用必须保持原始贝尔态以避免被检测到的要求得以维持。