Starea capcană în distribuția cheilor cuantice din criptografia cuantică

În cadrul criptografiei cuantice, protocolul de distribuție a cheilor cuantice (QKD) în stări capcană (”decoy”) este schema QKD cea mai implementată. Sistemele QKD practice utilizează surse multi-fotonice, spre deosebire de protocolul standard BB84, ceea ce le face susceptibile la atacuri de tip divizare a numărului de fotoni (PNS). Acest lucru ar limita semnificativ rata de transmisie securizată sau lungimea maximă a canalului în sistemele QKD practice.

În tehnica stărilor capcană, această slăbiciune fundamentală a sistemelor QKD practice este abordată prin utilizarea mai multor niveluri de intensitate la sursa emițătorului, adică qubiții sunt transmiși de Alice folosind niveluri de intensitate alese aleatoriu (o stare de semnal și mai multe stări capcană), rezultând statistici variabile privind numărul de fotoni pe întregul canal. La sfârșitul transmisiei, Alice anunță public ce nivel de intensitate a fost utilizat pentru transmiterea fiecărui qubit. Un atac PNS reușit necesită menținerea ratei de eroare pe biți (BER) la capătul receptorului, ceea ce nu poate fi realizat cu statistici multiple privind numărul de fotoni. Prin monitorizarea BER-urilor asociate cu fiecare nivel de intensitate, cele două părți legitime vor putea detecta un atac PNS, cu rate de transmisie sigure sau lungimi maxime ale canalului mult crescute, făcând sistemele QKD potrivite pentru aplicații practice.

Motivație

În dovezile de securitate ale protocoalelor QKD, cum ar fi BB84, se presupune că o singură sursă de fotoni este utilizată de către emițător, Alice. În realitate, nu există o sursă perfectă de fotoni unici. În schimb, surse practice, cum ar fi sursa laser cu stare coerentă slabă, sunt utilizate pe scară largă pentru QKD. Problema cheie cu aceste surse QKD practice constă în componentele lor multi-fotonice. Există o lacună serioasă de securitate atunci când Alice folosește stări multi-fotonice ca purtători de informații cuantice. Cu componente multi-fotonice, o persoană care ascultă cu urechea, Eve, ar putea în principiu să divizeze fotonii, să păstreze un foton și să trimită restul lui Bob. După ce Alice și Bob anunță informațiile de bază, Eve poate măsura fotonul interceptat pentru a obține informațiile cheie. Când canalul are pierderi, Eve poate lansa atacuri mai sofisticate, cum ar fi atacul de divizare a numărului de fotoni. Pentru a minimiza efectele stărilor multi-fotonice, Alice trebuie să utilizeze o sursă laser extrem de slabă, ceea ce are ca rezultat o viteză relativ mică de QKD. Metoda stării capcană este propusă pentru a rezolva această problemă a multi-fotonilor prin utilizarea câtorva intensități fotonice diferite în loc de una singură. În cazul stărilor capcană, sursele practice, cum ar fi o sursă de stare coerentă sau o sursă de conversie parametrică descendentă (PDC) prevestită, funcționează aproape la fel de bine ca o singură sursă de fotoni.

Dezvoltare

Schema stării capcană a fost propusă de Won-Young Hwang de la Universitatea Northwestern. Ulterior, securitatea sa a fost dovedită prin dezvoltarea unui model de canal numeric de fotoni și presupunând utilizarea unui număr infinit de stări capcană. O metodă practică comună de stări capcană are nevoie doar de două stări capcană, capcană în vid și capcană slabă. Această metodă vid+stare capcană slabă a fost propusă pentru prima dată de Hoi-Kwong Lo de la Universitatea din Toronto, și apoi a fost analizată de alții. S-a demonstrat că, utilizând doar stările de vid și capcană slabă, rata cheii obținută este foarte apropiată de cazul stării de capcană infinite.

Demonstrații experimentale

Primul experiment cu metoda stării de capcană a fost realizat de grupul lui Hoi-Kwong Lo și colaboratorul lor Li Qian, unde se utilizează metoda unei singure stări de capcană. Distanța de transmisie este de 15 km, iar viteza de generare a cheilor este de 165 biți/s. Apoi, se demonstrează o declanșare QKD pe distanțe mai lungi cu metoda vid + stări de capcană slabe prin fibră de 60 km. Ulterior, trei grupuri experimentale demonstrează metoda stării de capcană pe distanțe de 100 km. Există multe alte demonstrații ulterioare.

Declanșare QKD în stări de capcană folosind surse în stări necoerente

Au fost analizate și protocoalele QKD în stări de capcană cu surse în stări necoerente. Protocolul de stări capcană pasive, în care stările capcană sunt pregătite pasiv, este propus ca sursă parametrică de conversie descendentă.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)