Anvendelse af fordelsdestillation til enhedsuafhængig kvantenøgledistribution (DIQKD)

Forskere ved ETH Zürich og National University of Singapore har udført en undersøgelse, der undersøger, om fordelagtig destillation, en klassisk kryptografiteknik, der hidtil aldrig er blevet implementeret med succes, kan anvendes på enhedsuafhængige kvantenøglefordelingssystemer (DIQKD) med det formål at skabe en hemmelig nøgle til kommunikation mellem forskellige parter. Udtrykket DIQKD beskriver en ny form for kvantekryptografi, der giver ærlige brugere mulighed for at certificere informationssikkerhed ved kun at bruge de observerede målestatistikker.

Det betyder, at sikkerhed er baseret på påvisning af kvante-ikke-lokalitet, som garanterer, at ingen anden part, bortset fra de ærlige brugere, kan korreleres til den genererede nøgle. DIQKD protokoller, som er baseret på kvantefysikkens love, er en tilpasning af mere traditionelle quantum key distribution (QKD) tilgange.

Hovedmålet med konventionelle QKD-tilgange er at udtrække en nøgle fra korrelationer opnået ved at måle en række kvantesystemer. DIQKD protokoller, på den anden side, er baseret på tidligere observationer, der tyder på, at når disse korrelationer krænker en Bell-ulighed, en sikker nøgle kan udtrækkes, selvom de forskellige brugerens enheder ikke er fuldt karakteriseret.

Med andre ord, ved vurdering af sikkerheden af ​​DIQKD-protokoller, brugere behøver ikke at antage, at kommunikerende enheder fungerer i overensstemmelse med deres specifikationer. Dette er i skarp kontrast til den enhedsafhængighed, der observeres i traditionelle QKD-protokoller, som typisk antager, at tilsluttede enheder implementerer et specifikt udvalg af kvanteoperationer.

Denne unikke egenskab ved DIQKD kan forbedre sikkerheden for kommunikation og dataudveksling betydeligt, da det forbliver sikkert, selvom en angriber formår at påvirke adfærden på brugernes enheder. Denne øgede sikkerhed, imidlertid, er ofte ledsaget af en afgørende begrænsning:For at opnå positive nøglesatser, DIQKD-protokoller kræver lave støjniveauer. I deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , Ernest Tan, Charles Lim og Renato Renner forsøgte at overvinde denne begrænsning ved hjælp af en kryptografiteknik kendt som "advantage destillation."

"I 1990'erne, klassiske kryptografer kom med forslaget om at generere kryptografiske nøgler fra kosmisk baggrundsstråling, " Renner fortalte Phys.org. "Idéen var, at strålingen kan måles overalt, altså to parter, siger Alice og Bob, der gerne vil kommunikere hemmeligt, kan lytte til strålingen og generere en fælles nøgle ud fra den, som de så kunne bruge til at kryptere deres kommunikationskanal. Det (åbenlyse) problem er, selvfølgelig, at en modstander, Eva, kan lytte til den samme stråling, og dermed også udlede den samme nøgle, så det ville ikke være hemmeligt."

For at forhindre en tredjepart i at få adgang til en privat kommunikation mellem to personer, kryptografer introducerede en teknik kendt som fordelsdestillation. Denne teknik tillader to personer, der kommunikerer (f.eks. Alice og Bob) for at identificere segmenter af kosmisk baggrundsstråling, hvor de har en fordel i forhold til en indtrængende part (f.eks. Eva).

Det betyder, at i disse særlige dele af stråling, Alices målte signaler er stærkere korreleret til Bobs end de er til Evas. Som en konsekvens, disse dele kan bruges til at generere en hemmelig nøgle, som Eve ikke kan få adgang til.

"Mens denne idé virkede lovende, den nåede aldrig sin vej til praktiske anvendelser, "Renner sagde. "Årsagen til dette er, at de antagelser, der skal gøres om strålingen, viste sig at være urealistiske."

DIQKD og det scenarie, der oprindeligt blev overvejet med fordel ved destillation, deler flere ligheder. I DIQKD, imidlertid, strålingen erstattes af et signal bestående af sammenfiltrede partikelpar, distribueret af en upålidelig kilde, som endda kan kontrolleres af den tredje, indtrængende part. Baseret på denne lighed, forskerne satte sig for at undersøge, om idéen om fordelsdestillation faktisk er anvendelig på DIQKD, og ​​om den kan forbedre dens tolerance over for støj.

"En hovedudfordring i DIQKD er, at næsten intet vides om de oplysninger, som modstanderen Eva kan have indsamlet, " Renner forklarede. "I princippet, den information kunne endda bestå af uendeligt mange qubits. Vi var derfor nødt til at bruge og videreudvikle informationsteoretiske teknikker, der giver os mulighed for at karakterisere sådan ustruktureret information."

Ved at bruge de teknikker, de udviklede, forskerne var i stand til at vise, at fordele destillation er mulig selv i ekstreme kryptografiske omgivelser, såsom i DIQKD. De fandt ud af, at deres metode giver mulighed for forbedring af støjtolerancetærsklerne ud over de tidligere kendte værdier, hvilket skulle gøre det lettere at opnå en eksperimentel demonstration af DIQKD.

"Den hellige gral i kvantekryptografisamfundet er at have en fuldt fungerende og sikker eksperimentel demonstration af DIQKD, " sagde Renner. "Dette, imidlertid, synes at være meget udfordrende, og kræver en fælles indsats fra eksperimentelle og teoretiske forskere."

I øjeblikket, flere fysikere forsøger at forbedre eksisterende DIQKD-systemer:eksperimentalister ved at reducere støj i kommunikerende enheder og teoretikere ved at udvikle protokoller, der er mindre krævende med hensyn til støjtolerance. Undersøgelsen udført af Tan, Lim og Renner, som falder ind under sidstnævnte kategori, kunne i sidste ende bane vejen for udviklingen af ​​nye DIQKD-rammer, der både er sikre og fuldt ud effektive.

"Vores arbejde viser, at fordele destillation kan forbedre støjtolerancen af ​​DIQKD, " sagde Renner. "Men, vores analyse er højst sandsynligt ret langt fra optimal, da nogle af de (meget kraftfulde) metoder fra kvanteinformationsteorien ikke var brugbare i DI-indstillingen. Det betyder, at vi nu skal undersøge, om de teknikker, vi brugte, kan generaliseres."

© 2020 Science X Network