Forskare vid ETH Zürich och National University of Singapore har genomfört en studie som undersöker om fördelaktig destillation, en klassisk kryptografiteknik som hittills aldrig har implementerats framgångsrikt, kan appliceras på enhetsoberoende kvantnyckeldistributionssystem (DIQKD) i syfte att skapa en hemlig nyckel för kommunikation mellan olika parter. Termen DIQKD beskriver en ny form av kvantkryptografi som tillåter ärliga användare att certifiera informationssäkerhet med endast den observerade mätstatistiken.

Detta innebär att säkerheten är baserad på detektering av quantum nonlocality, vilket garanterar att ingen annan part, förutom de ärliga användarna, kan korreleras till den genererade nyckeln. DIQKD-protokoll, som är baserade på kvantfysikens lagar, är en anpassning av mer traditionella metoder för kvantnyckeldistribution (QKD).

Huvudmålet med konventionella QKD-metoder är att extrahera en nyckel från korrelationer som erhållits genom att mäta en serie kvantsystem. DIQKD-protokoll, å andra sidan, baseras på tidigare observationer som tyder på att när dessa korrelationer bryter mot en Bell-ojämlikhet, en säker nyckel kan extraheras även om de olika användarenheterna inte är helt karakteriserade.

Med andra ord, vid bedömning av säkerheten för DIQKD-protokoll, användare behöver inte anta att kommunicerande enheter fungerar enligt deras specifikationer. Detta står i skarp kontrast till enhetsberoendet som observeras i traditionella QKD-protokoll, som vanligtvis antar att anslutna enheter implementerar ett specifikt antal kvantoperationer.

Denna unika egenskap hos DIQKD kan avsevärt förbättra säkerheten för kommunikation och datautbyte, eftersom det förblir säkert även om en angripare lyckas påverka beteendet hos användarnas enheter. Detta ökade säkerheten, dock, åtföljs ofta av en avgörande begränsning:För att uppnå positiva nyckelräntor, DIQKD-protokoll kräver låga brusnivåer. I deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , Ernest Tan, Charles Lim och Renato Renner försökte övervinna denna begränsning med hjälp av en kryptografiteknik känd som "advantage destillation".

"På 1990-talet klassiska kryptografer kom med förslaget att generera kryptografiska nycklar från kosmisk bakgrundsstrålning, "Renner berättade för Phys.org. "Tanken var att strålningen kan mätas överallt, alltså två partier, säg Alice och Bob, som skulle vilja kommunicera i hemlighet, kan lyssna på strålningen och generera en gemensam nyckel från den, som de sedan kan använda för att kryptera sin kommunikationskanal. Det (uppenbara) problemet är, självklart, att en motståndare, Eva, kan lyssna på samma strålning, och därmed sluta samma nyckel också, så det skulle inte vara hemligt."

För att förhindra att en tredje part kommer åt en privat kommunikation mellan två personer, kryptografer introducerade en teknik som kallas fördeldestillation. Denna teknik tillåter två personer som kommunicerar (t.ex. Alice och Bob) för att identifiera segment av kosmisk bakgrundsstrålning där de har en fördel framför en inträngande part (t.ex. Eva).

Detta innebär att i just dessa delar av strålningen, Alices uppmätta signaler är starkare korrelerade till Bobs än de är till Evas. Som en konsekvens, dessa delar kan användas för att generera en hemlig nyckel som Eve inte kan komma åt.

"Medan den här idén verkade lovande, den kom aldrig till praktiska tillämpningar, "Anledningen till detta är att de antaganden som måste göras om strålningen visade sig vara orealistiska."

DIQKD och det scenario som ursprungligen ansågs vara fördelaktigt för destillation delar flera likheter. I DIQKD, dock, strålningen ersätts av en signal som består av intrasslade partikelpar, distribueras av en opålitlig källa, som till och med kan kontrolleras av den tredje, inträngande part. Baserat på denna likhet, forskarna försökte undersöka om idén med fördeldestillation faktiskt är tillämplig på DIQKD och om den kan förbättra dess tolerans mot buller.

"En huvudutmaning i DIQKD är att nästan ingenting är känt om den information som motståndaren Eva kan ha samlat in, " förklarade Renner. "I princip, den informationen kan till och med bestå av oändligt många qubits. Vi var därför tvungna att använda och vidareutveckla informationsteoretiska tekniker som gör att vi kan karakterisera sådan ostrukturerad information."

Med hjälp av de tekniker de utvecklade, forskarna kunde visa att fördeldestillation är möjlig även i extrema kryptografiska miljöer, som i DIQKD. De fann att deras metod möjliggör förbättring av bullertoleranströskelvärdena utöver de tidigare kända värdena, vilket borde göra det lättare att uppnå en experimentell demonstration av DIQKD.

"Den heliga gralen i kvantkryptografigemenskapen är att ha en fullt fungerande och säker experimentell demonstration av DIQKD, " sa Renner. "Detta, dock, verkar vara väldigt utmanande, och kräver en gemensam insats från experimentella och teoretiska forskare."

För närvarande, flera fysiker försöker förbättra befintliga DIQKD-system:experimentalister genom att minska brus i kommunicerande enheter och teoretiker genom att utveckla protokoll som är mindre krävande när det gäller brustolerans. Studien utförd av Tan, Lim och Renner, som tillhör den senare kategorin, i slutändan kan bana väg för utvecklingen av nya DIQKD-ramverk som är både säkra och fullt effektiva.

"Vårt arbete visar att fördeladestillation kan förbättra brustoleransen för DIQKD, " sa Renner. "Men, vår analys är troligen ganska långt ifrån optimal, eftersom några av de (mycket kraftfulla) metoderna från kvantinformationsteorin inte var användbara i DI-inställningen. Det betyder att vi nu måste undersöka om de tekniker vi använde kan generaliseras."

© 2020 Science X Network