論文の概要: "Nonlocality-of-a-single-photon'' based Quantum Key Distribution and Random Number Generation schemes and their device-independent security analysis

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.07451v2
• Date: Mon, 31 Mar 2025 08:00:12 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-01 14:29:04.120119
• Title: "Nonlocality-of-a-single-photon'' based Quantum Key Distribution and Random Number Generation schemes and their device-independent security analysis
• Title（参考訳）: 「一光子非局所性」に基づく量子鍵分布と乱数生成方式とそのデバイス非依存セキュリティ解析
• Authors: Konrad Schlichtholz, Bianka Woloncewicz, Tamoghna Das, Marcin Markiewicz, Marek Żukowski,
• Abstract要約: スキームは1つの光子50-50ビームを2つのモードに分割し、2つの空間的に分離された観測ステーションに伝播する。 そのような配置の物理学と非古典性は、最近まで理解されてきた。 単一光子に基づくデバイス非依存の量子鍵分布方式を提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: The question of ``non-locality of a single photon'', which started with a paper by Tan, Walls and Collett (TWC, 1991) stirred a thirty years long debate. This hampered attempts to use the TWC interferometric scheme in quantum cryptography. The scheme involves a single photon 50-50 beam-split into two modes propagating to two spatially separated observation stations at which weak homodyne measurements are made. The physics and non-classicality of such an arrangement has been understood only recently, and points out that an unquestionable Bell non-classicality, as was suggested by Hardy (1994), can be observed when the local measurement settings differ by the weak local oscillator being on or off, and additionally the homodyning for the on case is not balanced. Based on that, we present a single-photon based device-independent quantum key distribution scheme secure even against no-signaling eavesdropping. In our protocol the random bits of the cryptographic key are obtained by measurements on the single photon, that is for off settings at both Alice and Bob sides, while the security is positively tested if for eavesdropping testing runs one observes a violation of a specific Bell inequality involving the on and off weak homodyne measurements as alternative local settings. The security analysis presented here is based on a decomposition of the correlations into extreme points of a no-signaling polytope, which allows for identification of the optimal strategy for any eavesdropping constrained only by the no-signaling principle. For this strategy, the key rate is calculated, which is then connected with the violation of a specific Clauser-Horne inequality. We also adapt this analysis to propose a self-testing quantum random number generator based on the old idea that employs the randomness of reflection and transmission events of a quantum light impinged on a 50-50 beamsplitter.
• Abstract（参考訳）: タン・ウォールズ・アンド・コレット(Tan, Walls and Collett、1991年)の論文から始まった「単一光子の非局所性」の問題が30年にわたる議論を巻き起こした。 これにより、量子暗号におけるTWC干渉法の使用が妨げられた。 このスキームは、単一の光子50〜50ビームを2つのモードに分割し、2つの空間的に分離された観測ステーションに伝播し、弱いホモダインの計測を行う。 そのような配置の物理と非古典性は、最近になって理解され、Hardy (1994) が示唆したように、局所的な測定条件が弱い局所発振器のオン/オフによって異なる場合と、オンの場合のホモダイニングがバランスが取れないことが指摘されている。 そこで本研究では,単一光子をベースとしたデバイス非依存の量子鍵分布方式を提案する。 このプロトコルでは、暗号鍵のランダムビットは、AliceとBobの両サイドのオフセッティングであるシングルフォトンで測定され、一方、eavesdroppingテストの実行では、オン/オフの弱いホモダインの計測を代替のローカルセッティングとして含む特定のベルの不等式に違反すると、セキュリティが肯定的に検査される。 ここで提示されるセキュリティ分析は、相関関係を非シグナリングポリトープの極端点に分解することで、非シグナリング原理にのみ制約された盗聴の最適戦略の特定を可能にする。 この戦略では、鍵レートが計算され、それが特定のクレーター=ホルン不等式違反と結び付けられる。 また,50-50ビームスプリッターに印加された量子光の反射・透過現象のランダム性を利用した自己検証型量子乱数生成器を提案する。

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