Distribuția cheilor cuantice cu BB84

Înainte de trimiterea mesajului

Emițătorul (Alice) și receptorul (Bob) sunt de acord public cu privire la relația dintre spini și valoarea bitului, prezentată în Tabelul 5.1.

Tabelul 5.1 Tabel pentru relația dintre spin și valorile bitului pentru criptografia cuantică

Spin	↑	←	↓	→
Valoare bit	0	0	1	1

Partea cuantică

1. Alice alege aleatoriu fie baza x, fie baza z (aparat Stern-Gerlach orizontal sau vertical).
2. Alice trimite un electron în suprapunere în baza aleasă prin SGA, măsoară spinul și înregistrează valoarea bitului corespunzător ca 0 sau 1. Electronul este trimis lui Bob.
3. Bob alege aleatoriu fie baza x, fie baza z.
4. Bob măsoară spinul electronului și înregistrează dacă acesta a fost 0 sau 1.
5. Repetați pașii 1-4 până când se atinge nivelul de securitate dorit.

Exemplu

Alice trimite cinci electroni lui Bob. Când Alice trimite un electron pregătit într-o anumită bază, iar Bob măsoară în aceeași bază, cei doi măsoară același spin. Totuși, dacă Bob măsoară într-o altă bază decât Alice, atunci electronul va fi într-o stare de superpoziție și va exista o probabilitate de 50% ca starea să colapseze în 0 sau 1. Exemple de valori pentru primii trei biți ai unui experiment BB84 sunt prezentate în Fig. 5.1. Puteți completa ultimii doi biți?

Fig. 5.1 Măsurătorile lui Alice și Bob ale protocolului BB84

Fig. 5.2 Măsurătorile lui Alice și Bob ale protocolului BB84 completate din Fig. 5.1. Biții eliminați sunt gri, iar cheia este 01

Postprocesare clasică

1. Alice și Bob partajează public baza utilizată pentru fiecare măsurare de bit, fără a dezvălui valoarea reală a bitului pe care au măsurat-o.
2. Dacă au măsurat în aceeași bază, păstrează acel bit. Dacă au măsurat într-o bază diferită, elimină acel bit. Acest lucru este arătat în Fig. 5.2. Pentru măsurătorile efectuate în aceeași bază, Alice și Bob au garantat că au același șir de biți, cu excepția cazului în care a existat un interceptor.
3. Compară public un subset de biți, să zicem 20 din 100 de biți. Dacă toți cei 20 sunt aceiași, atunci este puțin probabil să fi existat un interceptor. Cei 80 rămași devin cheia partajată.

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