Onderzoekers van de ETH Zürich en de National University of Singapore hebben een studie uitgevoerd om te onderzoeken of voordeeldestillatie, een klassieke cryptografietechniek die tot nu toe nooit succesvol is geïmplementeerd, kan worden toegepast op apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie (DIQKD)-systemen met als doel een geheime sleutel te creëren voor communicatie tussen verschillende partijen. De term DIQKD beschrijft een nieuwe vorm van kwantumcryptografie waarmee eerlijke gebruikers informatiebeveiliging kunnen certificeren met alleen de waargenomen meetstatistieken.

Dit betekent dat beveiliging is gebaseerd op de detectie van kwantum non-lokaliteit, die garandeert dat geen enkele andere partij, afgezien van de eerlijke gebruikers, kan worden gecorreleerd aan de gegenereerde sleutel. DIQKD-protocollen, die gebaseerd zijn op de wetten van de kwantumfysica, zijn een aanpassing van meer traditionele benaderingen voor kwantumsleuteldistributie (QKD).

Het belangrijkste doel van conventionele QKD-benaderingen is om een ​​sleutel te extraheren uit correlaties die zijn verkregen door een reeks kwantumsystemen te meten. DIQKD-protocollen, anderzijds, zijn gebaseerd op waarnemingen uit het verleden die suggereren dat wanneer deze correlaties een Bell-ongelijkheid schenden, een beveiligde sleutel kan worden geëxtraheerd, zelfs als de apparaten van de verschillende gebruikers niet volledig zijn gekarakteriseerd.

Met andere woorden, bij het beoordelen van de beveiliging van DIQKD-protocollen, gebruikers hoeven er niet van uit te gaan dat communicerende apparaten werken volgens hun specificaties. Dit staat in schril contrast met de apparaatafhankelijkheid die wordt waargenomen in traditionele QKD-protocollen, die er doorgaans van uitgaan dat verbonden apparaten een specifieke reeks kwantumbewerkingen implementeren.

Dit unieke kenmerk van DIQKD kan de beveiliging van communicatie en gegevensuitwisseling aanzienlijk verbeteren, omdat het veilig blijft, zelfs als een aanvaller erin slaagt het gedrag van de apparaten van de gebruiker te beïnvloeden. Deze verhoogde veiligheid, echter, gaat vaak gepaard met een cruciale beperking:om positieve sleutelpercentages te bereiken, DIQKD-protocollen vereisen een laag geluidsniveau. In hun krant gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Ernst Tan, Charles Lim en Renato Renner probeerden deze beperking te overwinnen met behulp van een cryptografietechniek die bekend staat als 'voordeeldestillatie'.

"In de jaren 1990, klassieke cryptografen kwamen met het voorstel om cryptografische sleutels te genereren uit kosmische achtergrondstraling, Renner vertelde Phys.org. "Het idee was dat de straling overal gemeten kan worden, dus twee partijen zeg Alice en Bob, die in het geheim wil communiceren, kan naar de straling luisteren en er een gemeenschappelijke sleutel uit genereren, die ze vervolgens konden gebruiken voor het versleutelen van hun communicatiekanaal. Het (voor de hand liggende) probleem is, natuurlijk, dat een tegenstander, Vooravond, kan luisteren naar dezelfde straling, en dus dezelfde sleutel ook afleiden, dus het zou niet geheim zijn."

Om te voorkomen dat een derde partij toegang krijgt tot een privécommunicatie tussen twee personen, cryptografen introduceerden een techniek die bekend staat als voordeeldestillatie. Met deze techniek kunnen twee mensen die communiceren (bijv. Alice en Bob) om segmenten van kosmische achtergrondstraling te identificeren waar ze een voordeel hebben ten opzichte van een indringende partij (bijv. Eve).

Dit betekent dat in deze specifieke delen van straling, De gemeten signalen van Alice zijn sterker gecorreleerd met die van Bob dan met die van Eve. Als gevolg hiervan, deze onderdelen kunnen worden gebruikt om een ​​geheime sleutel te genereren waar Eve geen toegang toe heeft.

"Hoewel dit idee veelbelovend leek, het heeft nooit zijn weg gevonden naar praktische toepassingen, Renner zei. "De reden hiervoor is dat de aannames die gemaakt moeten worden over de straling onrealistisch zijn gebleken."

DIQKD en het oorspronkelijk overwogen scenario voor voordeeldestillatie hebben verschillende overeenkomsten. In DIQKD, echter, de straling wordt vervangen door een signaal bestaande uit verstrengelde deeltjesparen, verspreid door een niet-vertrouwde bron, die zelfs kan worden gecontroleerd door de derde, indringende partij. Op basis van deze gelijkenis, de onderzoekers wilden onderzoeken of het idee van voordeeldestillatie daadwerkelijk van toepassing is op DIQKD en of het de tolerantie tegen ruis kan verbeteren.

"Een grote uitdaging in DIQKD is dat er bijna niets bekend is over de informatie die de tegenstander Eva kan hebben verzameld, " legde Renner uit. "In principe, die informatie zou zelfs uit oneindig veel qubits kunnen bestaan. We moesten daarom informatietheoretische technieken gebruiken en verder ontwikkelen waarmee we dergelijke ongestructureerde informatie kunnen karakteriseren."

Met behulp van de door hen ontwikkelde technieken, de onderzoekers konden aantonen dat voordeeldestillatie mogelijk is, zelfs in extreme cryptografie-instellingen, zoals in DIQKD. Ze ontdekten dat hun methode een verbetering van de ruistolerantiedrempels mogelijk maakt boven de eerder bekende waarden, wat het gemakkelijker zou moeten maken om een ​​experimentele demonstratie van DIQKD te realiseren.

"De heilige graal in de kwantumcryptografiegemeenschap is om een ​​volledig functionerende en veilige experimentele demonstratie van DIQKD te hebben, " zei Renner. "Dit, echter, lijkt me erg uitdagend, en vereist een gezamenlijke inspanning van experimentele en theoretische onderzoekers."

Momenteel, verschillende natuurkundigen proberen bestaande DIQKD-systemen te verbeteren:experimentatoren door ruis in communicerende apparaten te verminderen en theoretici door protocollen te ontwikkelen die minder veeleisend zijn in termen van ruistolerantie. Het onderzoek van Tan, Lim en Renner, die in de laatste categorie valt, kan uiteindelijk de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van nieuwe DIQKD-frameworks die zowel veilig als volledig effectief zijn.

"Ons werk toont aan dat voordeeldestillatie de geluidstolerantie van DIQKD kan verbeteren, "Zei Renner. "Echter, onze analyse is hoogstwaarschijnlijk verre van optimaal, omdat sommige van de (zeer krachtige) methoden uit de kwantuminformatietheorie niet bruikbaar waren in de DI-omgeving. Dit betekent dat we nu moeten onderzoeken of de technieken die we gebruikten generaliseerbaar zijn."

© 2020 Wetenschap X Netwerk