Детектор-независимое квантовое распределение ключей

Детектор-независимое квантовое распределение ключей (en. Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution, MDI-QKD) — протокол квантового распределения ключей (QKD), главной особенностью которого является неуязвимость к атакам, эксплуатирующим неидеальность детекторов одиночных фотонов.

Квантовое распределение ключей (QKD) позволяет двум сторонам (обычно называемым Алисой и Бобом) генерировать общую строку секретных битов, называемых секретным ключом, в присутствии перехватчика Евы^[1]. Этот ключ может использоваться для таких задач, как безопасная связь и аутентификация. Однако между теорией и практикой QKD существует большой разрыв. Теоретически QKD предлагает безусловную безопасность, гарантированную законами физики. Однако практические реализации QKD редко соответствуют предположениям идеализированных моделей, используемых в доказательствах безопасности. Действительно, используя лазейки безопасности в практических реализациях, особенно несовершенство детекторов, были успешно реализованы различные атаки на коммерческие системы QKD, что подчеркивает их практическую уязвимость. Чтобы снова связать теорию с практикой, было предложено несколько подходов, одним из которых стал MDI-QKD^[2].

Генерация ключа происходит, как и во всех протоколах квантовой криптографии, в две фазы.

Первая фаза - коммуникация через квантовый канал:

1. И Алиса, и Боб готовят состояния слабо когерентных импульсов (WCPs), произвольно выбирая одну из четырех возможных поляризации BB84 (то есть вертикальное, горизонтальное, 45° и 135° поляризованных состояний), и отправляют их третьему, ненадежному, участнику Чарли (или Ева), который находится в середине. Так же Алиса и Боб применяют Метод состояний-ловушек (Decoy state method).
2. Чарли выполняет измерение входящих состояний в базисе Белла, которое проецирует входящие сигналы в состояние Белла.

Вторая фаза - коммуникация через аутентифицированный публичный канал:

1. Чарли объявляет о событиях, когда он получил успешный результат измерения, а также результат его измерения.
2. Алиса и Боб сохраняют отправленные биты, которые соответствуют этим случаям и отбрасывают остальные. Как и в BB84, они выбирают события, где они использовали одинаковые базисы в своей передаче по квантовому каналу.
3. Чтобы гарантировать, что их битовые строки правильно коррелированы, Алиса или Боб должны применить переворот бита к его или её данным, за исключением случаев, когда оба они выбрали диагональный базис, и Чарли получает успешный результат измерения, соответствующий триплетному состоянию.

Возможность считать Чарли ненадежным узлом и свободно передавать результаты измерений по публичному каналу достигается благодаря эффекту Хонга-У-Манделя. Он заключается в том, что одновременно приходящие от Алисы и Боба фотоны интерферируют в светоделителе 50:50, на каждом конце которого стоит поляризующий светоделитель, проектирующий входящие фотоны в горизонтальное или диагональное состояние. Измерение в базисе Белла само по себе дает информацию о запутанном состоянии двух фотонов, и только Алиса и Боб, зная свои отправленные состояния, могут определить отправленные друг другом состояния.

Доказательство криптостойкости метода MDI-QKD включает несколько допущений. Во-первых, предполагается, что Метод состояний-ловушек может быть использован для оценки полезный выход (англ. gain - вероятность того, что реле выдаст сигнал успешного измерения белловского состояния) и частоты ошибок по кубитам (QBER)^[3]. Во-вторых, оценивается скорость генерации секретного ключа для реалистичной схемы^[4]. Кроме того, предполагается, что все детекторы Чарли идентичны (т.е. они имеют одинаковые скорость темновых отсчетов и эффективность детектирования), и их темновые отсчеты не зависят от входящих сигналов.

Ключевым преимуществом метода является то, что детекторы Чарли могут быть произвольно повреждены без ущерба для безопасности. Также, из-за расположения Чарли в середине канала связи, максимальное расстояние между Алисой и Бобом удваивается в сравнении с классическими протоколами, такими как BB84^[2].

1. ↑ Nicolas Gisin, Grégoire Ribordy, Wolfgang Tittel, Hugo Zbinden. Quantum cryptography // Reviews of Modern Physics. — 2002-03-08. — Т. 74, вып. 1. — С. 145–195. — DOI:10.1103/RevModPhys.74.145. Архивная копия от 16 апреля 2020 на Wayback Machine
2. ↑ ^{1 2} Hoi-Kwong Lo, Marcos Curty, Bing Qi.Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution (англ.) // Physical Review Letters. — 2012-03-30. — Vol. 108, iss. 13. — P. 130503. — ISSN 1079-7114 0031-9007, 1079-7114. — DOI:10.1103/PhysRevLett.108.130503 Архивная копия от 28 апреля 2020 на Wayback Machine.
3. ↑ Hoi-Kwong Lo, Xiongfeng Ma, Kai Chen. Decoy State Quantum Key Distribution // Physical Review Letters. — 2005-06-16. — Т. 94, вып. 23. — С. 230504. — doi:10.1103/PhysRevLett.94.230504.
4. ↑ Daniel Gottesman, Hoi-Kwong Lo, Norbert Lütkenhaus, John Preskill. Security of quantum key distribution with imperfect devices // arXiv:quant-ph/0212066. — 2002-12-10. Архивировано 21 декабря 2019 года.