論文の概要: Ensemble-Based Quantum-Token Protocol Benchmarked on IBM Quantum Processors
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.08530v2
- Date: Mon, 24 Feb 2025 10:15:52 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-02-25 15:47:22.578343
- Title: Ensemble-Based Quantum-Token Protocol Benchmarked on IBM Quantum Processors
- Title（参考訳）: IBM量子プロセッサ上でのEnsemble-based Quantum-Token Protocolのベンチマーク
- Authors: Lucas Tsunaki, Bernd Bauerhenne, Malwin Xibraku, Martin E. Garcia, Kilian Singer, Boris Naydenov,
- Abstract要約: 量子トークンは、銀行が発行する物理デバイスで個人認証に使用可能な、制限不能なキーを量子状態に格納することを想定している。
我々は,これらのアプリケーションを技術的に低需要にすることができるような,アンサンブルベースの量子トークンプロトコルを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License:
- Abstract: Quantum tokens envision to store unclonable keys in quantum states that can be used for personal authentication in a physical device issued by a bank, for instance. Still, its experimental realization faces many technical challenges. In this work, we propose an ensemble-based quantum-token protocol, having the potential to make these applications technologically less-demanding. Therefore, in order to demonstrate the safety of the protocol, a simple and minimal model based on an observable operator and measurement uncertainty is developed to describe the quantum token hardware, while the protocol is fully benchmarked and compared on five different IBM quantum processors. First, the uncertainties of the hardware are characterized, from which the main quality parameters that describe the token can be extracted. Following that, the fraction of qubits which the bank prepares and measures successfully is benchmarked. These fractions are then compared with the values obtained from an attacker who attempts to read the bank token and prepare a forged key. From which we experimentally demonstrate an acceptance probability of 0.059 for a single forged token, in contrast to 0.999 for the bank's own tokens. These values can be further optimized by increasing the number of tokens in the device, where even in the worst IBMQ, with 49 tokens the acceptance probability of forged tokens is below $10^{-22}$. Finally, we show that minor improvements in the hardware quality lead to significant increases in the protocol security, denoting a great potential of the protocol to scale with the ongoing quantum hardware evolution. This work demonstrates the overall security of the protocol within a hardware-agnostic framework, further confirming the interoperability of the protocol in arbitrary quantum systems and thus paving the way for future applications with different qubits.
- Abstract（参考訳）: 量子トークンは、例えば銀行が発行する物理デバイスで個人認証に使用可能な、制限不能なキーを量子状態に格納することを想定している。
それでも、実験的な実現は多くの技術的課題に直面している。
本研究では,アンサンブルベースの量子トークンプロトコルを提案する。
したがって、プロトコルの安全性を示すために、観測可能な演算子に基づくシンプルで最小限のモデルと測定の不確かさが、量子トークンハードウェアを記述するために開発され、このプロトコルは完全にベンチマークされ、5つの異なるIBM量子プロセッサで比較される。
まず、ハードウェアの不確かさを特徴とし、トークンを記述する主品質パラメータを抽出する。
その後、銀行が準備し、測定を成功させたキュービットの割合をベンチマークする。
これらの分画は、銀行トークンを読み取って偽造キーを準備しようとする攻撃者から得た値と比較される。
銀行自身のトークンに対して0.999に対して、1つの偽造トークンに対して0.059の受け入れ確率を実験的に示す。
これらの値は、最悪のIBMQであっても49のトークンで偽造トークンの受け入れ確率が10-22$以下であるデバイス内のトークンの数を増やすことでさらに最適化することができる。
最後に、ハードウェア品質の微妙な改善によりプロトコルのセキュリティが大幅に向上し、進行中の量子ハードウェアの進化とともに拡張する可能性を示すことを示す。
この研究は、ハードウェアに依存しないフレームワークにおけるプロトコルの全体的なセキュリティを実証し、任意の量子システムにおけるプロトコルの相互運用性をさらに確認し、異なるキュービットを持つ将来のアプリケーションへの道を開く。
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