デコイ状態

量子暗号において、デコイ状態量子鍵配布(QKD) プロトコルは、最も広く実装されている QKD 方式です。実用的な QKD システムは、標準のBB84プロトコルとは対照的に、多重光子源を使用するため、光子数分割(PNS) 攻撃を受けやすくなります。これにより、実用的な QKD システムでは、安全な伝送速度や最大チャネル長が大幅に制限されます。デコイ状態技術では、この実用的な QKD システムの根本的な弱点は、送信側のソースで複数の強度レベルを使用することで解決されます。つまり、アリスはランダムに選択された強度レベル (1 つの信号状態と複数のデコイ状態) を使用して量子ビットを送信し、チャネル全体で光子数統計が変化します。送信の最後に、アリスは各量子ビットの送信にどの強度レベルが使用されたかを公表します。PNS 攻撃を成功させるには、受信側でビット エラー レート(BER) を維持する必要があり、これは多重光子数統計では実現できません。各強度レベルに関連付けられた BER を監視することにより、2 つの正当な当事者は、安全な伝送速度または最大チャネル長が大幅に向上した PNS 攻撃を検出できるようになり、QKD システムを実際のアプリケーションに適したものにします。

モチベーション

BB84などの QKD プロトコルのセキュリティ証明では、送信者であるアリスが単一光子源を使用することが想定されています。実際には、完全な単一光子源は存在しません。代わりに、弱いコヒーレント状態のレーザー源などの実用的な光源が QKD に広く使用されています。これらの実用的な QKD 光源の主な問題は、その多光子コンポーネントにあります。アリスが量子情報キャリアとして多光子状態を使用すると、深刻なセキュリティの抜け穴が存在します。多光子コンポーネントを使用すると、盗聴者であるイブは原理的に光子を分割し、1 つの光子を保持し、残りをボブに送信できます。アリスとボブが基底情報をアナウンスすると、イブは傍受した光子を測定して鍵情報を取得できます。チャネルに損失がある場合、イブは光子数分割攻撃などのより高度な攻撃を仕掛けることができます。多光子状態の影響を最小限に抑えるために、アリスは非常に弱いレーザー光源を使用する必要があり、その結果、QKD の速度が比較的低くなります。デコイ状態法は、この多光子問題を解決するために、1つの光子強度ではなく、いくつかの異なる光子強度を用いることで提案されています。デコイ状態を用いることで、コヒーレント状態光源やプレラルドパラメトリックダウンコンバージョン（PDC）光源などの実用的な光源は、単一光子光源とほぼ同等の性能を発揮します。[ 1 ]

開発

デコイ状態方式は、ノースウェスタン大学のウォンヨン・ファンによって提案されました。[ 2 ]その後、光子数チャネルモデルを開発し、無限の数のデコイ状態の使用を仮定することで、その安全性が証明されました。[ 3 ]一般的な実用的なデコイ状態方式では、真空デコイと弱いデコイの2つのデコイ状態のみが必要です。この真空+弱いデコイ状態方式は、トロント大学のホイクウォン・ローによって最初に提案され、[ 4 ]その後、他の人々によって分析されました。[ 5 ] [ 6 ]真空と弱いデコイ状態のみで達成される鍵レートは、無限のデコイ状態の場合に非常に近いことが示されています。[ 6 ]

実験的デモンストレーション

最初のデコイ状態法実験は、Hoi-Kwong Loのグループと協力者のLi Qianによって行われ[ 7 ] 、 1デコイ状態法[ 6 ]が採用されました。伝送距離は15km、鍵生成速度は165bit/sでした。その後、60kmの光ファイバーを介して真空+弱いデコイ状態法を用いたより長距離の量子鍵配送が実証されました[ 8 ] 。その後、3つの実験グループが100km以上の距離でデコイ状態法を実証しました[ 9 ] 。 [ 10 ]。[ 11 ]。その後も多くの実証が行われました[ 12 ] 。 [ 13 ]

非コヒーレント状態源を用いたデコイ状態QKD

非コヒーレント状態源を用いたデコイ状態QKDプロトコルも解析されている。デコイ状態が受動的に準備されるパッシブデコイ状態プロトコルは、パラメトリックダウンコンバージョン源として提案されている。[ 14 ] [ 15 ]

参照

参考

  1. ^ Ma, Xiongfeng (2008).量子暗号：理論から実践へ（博士号）. トロント大学. arXiv : 0808.1385
  2. ^ Hwang, Won-Young (2003年7月1日). 「高損失量子鍵配送：グローバルセキュア通信に向けて」. Physical Review Letters . 91 (5) 057901. arXiv : quant- ph /0211153 . Bibcode : 2003PhRvL..91e7901H . doi : 10.1103/physrevlett.91.057901 . ISSN 0031-9007 . PMID 12906634. S2CID 19225674 .   
  3. ^ Lo, Hoi-Kwong; Ma, Xiongfeng; Chen, Kai (2005年6月16日). 「デコイ状態量子鍵配送」. Physical Review Letters . 94 (23) 230504. アメリカ物理学会 (APS). arXiv : quant-ph/0411004 . Bibcode : 2005PhRvL..94w0504L . doi : 10.1103 / physrevlett.94.230504 . ISSN 0031-9007 . PMID 16090452. S2CID 16938588 .   
  4. ^ Lo, Hoi-Kwong (2004).真空または弱パルスをデコイ状態とする量子鍵配送. 2004 IEEE International Symposium on Information Theory Proceedings of 2004 IEEE International Symposium on Information Theory. New York: IEEE Press. p. 137. doi : 10.1109/ISIT.2004.1365174 . ISBN 0-7803-8280-3。
  5. ^ Wang, Xiang-Bin (2005年6月16日). 「実用的な量子暗号における光子数分割攻撃の打破」. Physical Review Letters . 94 (23) 230503. arXiv : quant-ph/0410075 . Bibcode : 2005PhRvL..94w0503W . doi : 10.1103 / physrevlett.94.230503 . ISSN 0031-9007 . PMID 16090451. S2CID 2651690   
  6. ^ a b c Ma, Xiongfeng; Qi, Bing; Zhao, Yi; Lo, Hoi-Kwong (2005年7月20日). 「量子鍵配送のための実用的なデコイ状態」. Physical Review A. 72 ( 1) 012326. アメリカ物理学会 (APS). arXiv : quant-ph/0503005 . Bibcode : 2005PhRvA..72a2326M . doi : 10.1103/physreva.72.012326 . ISSN 1050-2947 . S2CID 836096 .  
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  8. ^ Zhao, Yi; Qi, Bing; Ma, Xiongfeng; Lo, Hoi-kwong; Qian, Li (2006). 「60km通信ファイバーにおけるデコイ状態量子鍵配送のシミュレーションと実装」2006 IEEE 国際情報理論シンポジウムIEEE. pp.  2094– 2098. arXiv : quant-ph/0601168 . doi : 10.1109/isit.2006.261920 . ISBN 1-4244-0505-X。
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