論文の概要: Overcoming Intensity Limits for Long-Distance Quantum Key Distribution
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.20265v2
- Date: Thu, 02 Jan 2025 07:26:59 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-01-03 11:36:39.802215
- Title: Overcoming Intensity Limits for Long-Distance Quantum Key Distribution
- Title（参考訳）: 長距離量子鍵分布における超越強度限界
- Authors: Ibrahim Almosallam,
- Abstract要約: 量子鍵分配(QKD)は、量子力学によって確保された暗号鍵の共有を可能にする。
BB84プロトコルは単一光子源を仮定するが、実用システムは光子数分割攻撃に弱いコヒーレントパルスに依存する。
観測データから直接鍵パラメータを推定するためにベイズ推定を適用することにより、高い強度が確実に許されることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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- Abstract: Quantum Key Distribution (QKD) enables the sharing of cryptographic keys secured by quantum mechanics. The BB84 protocol assumed single-photon sources, but practical systems rely on weak coherent pulses vulnerable to photon-number-splitting (PNS) attacks. The Gottesman-Lo-L\"utkenhaus-Preskill (GLLP) framework addressed these imperfections, deriving secure key rate bounds under limited PNS. The Decoy-state protocol further improved performance by refining single-photon yield estimates, but still considered multi-photon states as insecure, limiting intensities and thereby constraining key rate and distance. Here, we show that higher intensities can be securely permitted by applying Bayesian inference to estimate key parameters directly from observed data rather than relying on worst-case assumptions. By raising the pulse intensity to 10 photons, we achieve 50 times the key rate and a 62.2% increase in operational range (about 200 km) compared to the decoy-state protocol. Furthermore, we accurately model after-pulsing using a Hidden Markov Model and reveal inaccuracies in decoy-state calculations that may produce erroneous key-rate estimates. By bridging theoretical security and real-world conditions, this Bayesian methodology provides a versatile post-processing step for many discrete-variable QKD protocols, advancing their reach, efficiency, and facilitating broader adoption of quantum-secured communication.
- Abstract（参考訳）: 量子鍵分配(QKD)は、量子力学によって確保された暗号鍵の共有を可能にする。
BB84プロトコルは単一光子源を仮定するが、実用システムは光子数分割(PNS)攻撃に弱いコヒーレントパルスに依存する。
Gottesman-Lo-L\"utkenhaus-Preskill (GLLP)フレームワークはこれらの欠陥に対処し、限られたPNSの下で安全な鍵レート境界を導出した。
ディコイ状態プロトコルは単光子収率推定を精細化することでさらなる性能向上を図ったが、それでも多光子状態は安全でないと考えられ、強度を制限し、キーレートと距離を制限している。
ここでは,ベイズ推定を適用して,最悪の仮定に頼るのではなく,観測データから直接キーパラメータを推定することにより,より高い強度を確実に許すことを示す。
パルス強度を10光子に上げることで、鍵レートの50倍、オペレーショナルレンジ(約200km)がデコイステートプロトコルに比べて62.2%増加する。
さらに,隠れマルコフモデルを用いた後パルスを高精度にモデル化し,不正なキーレート推定を発生させるおそれのあるデコイ状態計算における不正確さを明らかにする。
このベイズ的手法は、理論上のセキュリティと実世界の条件をブリッジすることによって、多くの離散変数QKDプロトコルに対して多目的な後処理ステップを提供し、そのリーチ、効率性を高め、量子セキュアな通信のより広範な採用を促進する。
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