将优势蒸馏应用于设备无关的量子密钥分配(DIQKD)

时间:2020-02-07 17:26 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

将优势蒸馏应用于设备无关的量子密钥分配(DIQKD)

苏黎世联邦理工学院和新加坡国立大学的研究人员进行了一项研究调查是否利用蒸馏,古典密码学技术,到目前为止没有成功实现,可以应用于与设备无关的量子密钥分发(DIQKD)系统,目的是创建一个密钥对不同党派之间的沟通。术语DIQKD描述了一种新形式的量子密码,允许诚实的用户仅使用观察到的测量统计数据来验证信息安全。

这意味着安全性基于对量子非局部性的检测,这保证了除了诚实的用户之外,没有其他方可以与生成的密钥相关联。基于量子物理定律的DIQKD协议是对传统量子密钥分发(QKD)方法的一种适应。

传统的QKD方法的关键目标是从测量一系列量子系统得到的相关性中提取密钥。另一方面,DIQKD协议是基于过去的观察,这些观察表明,当这些相关性违反贝尔不等式时,即使不同的用户设备没有完全表征,也可以提取安全密钥。

换句话说,在评估DIQKD协议的安全性时,用户不需要假设通信设备是根据其规范操作的。这与传统QKD协议中观察到的设备依赖性形成了鲜明的对比,传统QKD协议通常假设连接的设备实现特定范围的量子操作。

DIQKD的这种独特特性可以显著增强通信和数据交换的安全性,因为即使攻击者设法影响用户设备的行为,它仍然是安全的。然而,这种安全性的提高常常伴随着一个重要的限制:为了实现正密钥率,DIQKD协议需要低噪声水平。在他们发表在《物理评论快报》上的论文中,Ernest Tan、Charles Lim和Renato Renner试图用一种被称为“优势蒸馏”的密码学技术来克服这一限制。

“在20世纪90年代,经典的密码学家提出了从宇宙背景辐射中产生密码的建议,”Renner告诉Phys.org。“我们的想法是辐射可以在任何地方测量,所以双方,比如爱丽丝和鲍勃,想要秘密通信,可以监听辐射并从中产生一个通用密钥,然后他们可以用这个密钥加密他们的通信通道。”(明显的)问题是,一个对手,夏娃,可能会听到同样的辐射,因此推断出同样的密钥,所以它不是秘密。”

为了防止第三方访问两人之间的私人通信,密码学家引入了一种称为优势蒸馏的技术。这种技术允许正在交流的两个人(例如,爱丽丝和鲍勃)识别宇宙背景辐射的某些片段,在这些片段中,他们比入侵的一方(例如,夏娃)有优势。

将优势蒸馏应用于设备无关的量子密钥分配(DIQKD)

这意味着,在辐射的这些特定部分,爱丽丝测量到的信号与鲍勃信号的相关性比与伊芙信号的相关性更强。因此,这些部分可以用来生成一个Eve不能访问的密钥。

Renner说:“虽然这个想法看起来很有前途,但它从未得到实际应用。”“原因是必须对辐射做出的假设是不现实的。”

DIQKD和最初考虑的用于蒸馏的方案有几个相似之处。然而,在DIQKD中,辐射被一种由纠缠态粒子对组成的信号所代替,这种信号由一个不可信的源分布,甚至可能由第三个入侵方控制。基于这种相似性,研究人员开始探索优势蒸馏的思想是否真的适用于DIQKD,是否可以提高其对噪声的容忍度。

Renner解释说:“DIQKD面临的一个主要挑战是,我们对伊芙可能收集到的信息几乎一无所知。”“原则上,这些信息甚至可以由无限多个量子位元组成。因此,我们必须使用和进一步发展信息理论技术,使我们能够描述这种非结构化信息。”

利用他们开发的技术,研究人员能够证明,即使在像DIQKD这样的极端密码学环境中,蒸馏也是可能的。他们发现,他们的方法可以在已知值的基础上改进噪声容忍阈值,从而更容易实现DIQKD的实验演示。

Renner说:“量子密码学领域的圣杯是对DIQKD进行充分有效和安全的实验验证。”“然而,这似乎非常具有挑战性,需要实验和理论研究人员的共同努力。”

目前,一些物理学家正试图改进现有的DIQKD系统:实验员通过降低通信设备中的噪声来改进DIQKD系统,理论家通过开发对噪声容忍度要求较低的协议来改进DIQKD系统。Tan、Lim和Renner进行的研究属于后一类,最终可能为开发安全且完全有效的DIQKD新框架铺平道路。

“我们的工作表明,优势蒸馏可以提高DIQKD的噪声容忍度,”Renner说。“然而,我们的分析很可能非常不理想,因为量子信息论的一些(非常强大的)方法在DI设置中不能使用。”这意味着我们现在需要探索我们使用的技术是否可以推广。”

?2020 Science X Network

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