論文の概要: Overcoming Intensity Limits for Long-Distance Quantum Key Distribution

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.20265v3
• Date: Sat, 22 Feb 2025 01:43:59 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-02-25 18:15:43.814042
• 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(PNS)攻撃に弱いコヒーレントパルスに依存する。 我々は,最悪の仮定分析から観測依存推論へ移行して,QKDのセキュリティに対する新たなアプローチを開発する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• 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 scenarios. The Decoy-state protocol further improved performance by refining single-photon yield estimates, but still considered multi-photon states as insecure, thereby limiting intensities and constraining key rate and distance. More recently, finite-key security bounds for decoy-state QKD have been extended to address general attacks, ensuring security against adversaries capable of exploiting arbitrary strategies. In this work, we focus on a specific class of attacks, the generalized PNS attack, and demonstrate that higher pulse intensities can be securely used by employing Bayesian inference to estimate key parameters directly from observed data. By raising the pulse intensity to 10 photons, we achieve a 50-fold increase in 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. While this methodology does not address all possible attacks, it provides a new approach to security proofs in QKD by shifting from worst-case assumption analysis to observation-dependent inference, advancing the reach and efficiency of discrete-variable QKD protocols.
• 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 シナリオの下でキーレート境界をセキュアにする。 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見なされ、強度の制限とキーレートと距離の制限が図られた。 最近では、デコイ状態QKDの有限鍵セキュリティ境界が拡張され、任意の戦略を活用可能な敵に対するセキュリティを確保している。 本研究では,特定の種類の攻撃,一般化されたPAS攻撃に着目し,ベイズ推定を用いて観測データから直接鍵パラメータを推定することにより,高いパルス強度を確実に利用できることを示す。 パルス強度を10光子に上げることにより、鍵レートが50倍に増加し、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%増加した。 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。 この手法は全ての攻撃に対処するものではないが、最悪ケースの仮定分析から観測依存推論へ移行し、離散変数QKDプロトコルのリーチと効率を向上させることにより、QKDのセキュリティ証明に対する新しいアプローチを提供する。

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