Protocolul BB84 pentru distribuția cheilor cuantice în criptografia cuantică

Cel mai cunoscut protocol pentru QKD este protocolul Bennett și Brassard (BB84). Procedura BB84 este următoarea (prezentată și în Tabelul 1).

Faza de comunicare cuantică

În BB84, Alice îi trimite lui Bob o secvență de fotoni printr-un canal cuantic nesigur, fiecare ales independent dintre cele patru polarizări – verticală, orizontală, 45 de grade și 135 de grade.

Pentru fiecare foton, Bob alege aleatoriu una dintre cele două baze de măsurare (rectilinie și diagonală) pentru a efectua o măsurare.

Bob își înregistrează bazele de măsurare și rezultatele. Bob confirmă public primirea semnalelor.

Faza de discuție publică

Alice își transmite bazele de măsurători. Bob își transmite bazele de măsurători.

Alice și Bob elimină toate evenimentele în care utilizează baze diferite pentru un semnal.

Pentru a testa manipularea, Alice alege aleatoriu o fracțiune, p, din toate evenimentele rămase ca evenimente de testare. Pentru acele evenimente de testare, ea transmite public pozițiile și polarizările acestora.

Bob transmite polarizările evenimentelor de testare.

Alice și Bob calculează rata de eroare a evenimentelor de testare (adică fracțiunea de date pentru care valoarea lor nu este în concordanță). Dacă rata de eroare calculată este mai mare decât o anumită valoare prag prescrisă, să zicem 11%, ei abandonează procesul. În caz contrar, trec la pasul următor.

Alice și Bob convertesc fiecare datele de polarizare ale tuturor datelor rămase într-un șir binar numit cheie brută (de exemplu, prin maparea unui foton vertical de 45 de grade la „0” și a unui foton orizontal sau de 135 de grade la „1”). Aceștia pot efectua postprocesare clasică, cum ar fi corectarea erorilor și amplificarea confidențialității, pentru a genera o cheie finală.

Secvența de biți a lui Alice	0	1	1	1	0	1	0	0	0	1
Baza lui Alice	+	×	+	+	×	+	×	×	+	×
Polarizarea fotonilor lui Alice	→	↖	↑	↑	↗	↑	↗	↗	→	↖
Baza lui Bob	+	+	×	+	+	×	×	+	+	×
Polarizarea măsurată a lui Bob	→	↑	↖	↑	→	↗	↗	↑	→	↖
Polarizarea măsurată prin cernere a lui Bob	→			↑			↗		→	↖
Secvența de date a lui Bob	0			1			0		0	1

Tabelul 1. Procedura protocolului BB84.

Ideea de bază a protocolului BB84 QKD este frumoasă, iar securitatea sa poate fi înțeleasă intuitiv din teorema fără clonare cuantică. Pe de altă parte, pentru a aplica QKD în practică, Alice și Bob trebuie să găsească limita superioară a informației lui Eve cantitativ, având în vedere rata de eroare cuantică pe biți observată (prescurtată QBER) și alți parametri ai sistemului. Acesta este obiectivul principal al diferitelor demonstrații de securitate QKD și s-a dovedit a fi extrem de dificil. O provocare majoră vine din faptul că Eve putea lansa atacuri mult dincolo de tehnologiile actuale și de imaginația noastră. Cu toate acestea, QKD s-a dovedit a fi necondiționat sigur. Aceasta este cea mai semnificativă realizare în domeniul informației cuantice.