Detectarea unui ascultător clandestin în criptografia cuantică

Dacă un ascultător clandestin (Eve) aude partea de post-procesare în care Alice și Bob partajează baza utilizată pentru fiecare măsurare de bit, Eve nu are nicio informație despre dacă vreun bit a fost 0 sau 1. Deoarece Eve nu are nicio informație, partajarea publică a post-procesării nu este o acțiune periculoasă pentru Alice și Bob. Singura modalitate prin care Eve poate determina valoarea de spin a qubitilor și, în consecință, poate obține informații importante este să măsoare qubitul cu propriul ei test Stern-Gerlach înainte ca acesta să ajungă la Bob. Acest lucru poate fi potențial periculos pentru Alice și Bob. Cu toate acestea, deoarece baza nu este partajată în timpul transmisiei, Eve trebuie să aleagă aleatoriu o bază pentru a măsura qubitul interceptat de la Alice. Dacă Alice și Bob aleg aleatoriu să măsoare pe o bază diferită, ei aruncă toți biții și nu contează ce bază alege Eve. Dacă Alice și Bob aleg aleatoriu să măsoare pe aceeași bază, atunci există două rezultate în funcție de ceea ce face Eva:

(1) Dacă Eve alege aleatoriu aceeași bază ca Alice, atunci ea nu modifică starea. Acest lucru este negativ, deoarece Eve a reușit să intercepteze informații fără ca Alice și Bob să știe.

(2) Dacă Eve alege la întâmplare o bază diferită de cea a lui Alice, atunci modifică starea și o pune într-o suprapunere. Chiar dacă Bob folosește aceeași bază ca Alice, din cauza modificării stării de către Eve, Alice și Bob pot avea o măsurătoare de spin diferită. Acesta este modul în care pot prinde un ascultător.

Exemplu

Situația de interceptare este prezentată în Fig. 5.3. Dacă Eve alege aceeași bază ca Alice, spinul rămâne neschimbat când ajunge la Bob (bitul #1). Dacă Eve alege o bază diferită de cea a lui Alice, spinul ar putea fi diferit când ajunge la Bob (biții #2 și #3). Eve ar putea avea noroc, iar bitul lui Bob ar putea fi în acord cu cel al lui Alice (bitul #2). Cu toate acestea, Bob este la fel de probabil să măsoare ceva diferit de cel al lui Alice (bitul #3). Poți explica ce s-ar putea întâmpla cu biții #4 și #5?

Când Alice și Bob compară o porțiune din biții lor cheie, o discrepanță ar indica prezența unui ascultător. Dacă compară un număr suficient de biți cheie și toți se potrivesc, pot fi rezonabil siguri că restul este securizat. Această afirmație va fi cuantificată în scurt timp în întrebări.

Fig. 5.3 Un exemplu de surprindere a unui ascultător folosind protocolul BB84

Sursa: Ciaran Hughes, Joshua Isaacson, Anastasia Perry, Ranbel F. Sun, Jessica Turner (2021) Quantum Computing for the Quantum Curious, Springer Cham, https://doi.org/10.1007/978-3-030-61601-4, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu