Модифікований метод корекції помилок із застосуванням шифру Вернама у системах QKD
DOI:
https://doi.org/10.18372/2310-5461.46.14803Ключові слова:
QKD, LDPC, корекція помилок, parity-check matrix, post-processingАнотація
В даній роботі проаналізовано та адаптовано відомий метод корекції помилок CV-QKD систем, запропонований Маріо Міліцевичем, в якому модулюється кодове слово з корельованою гаусовою послідовністю в амплітудній та фазовій квадратурах когерентних станів, для застосування в DV-QKD системах, в який інформація кодується в поляризації однофотонних станів, шляхом використання просіяного ключа у вигляді класичних бітів, з яких створюється кодове слово, а також одноразового шифру Вернама, в якому використовується достатньо проста в реалізації класична булева операція “виключне або”. Наразі розвиваються два напрямки підвищення надійності систем QKD: дослідження квантового каналу на фізичному рівні та корекція помилок після створення просіяного ключа. Основне завдання корекції помилок полягає у виправленні помилок, щоб поділитися однаковим захищеним ключем між двома сторонами (які, зазвичай, звуться Алісою та Бобом). Причиною виникнення помилок можуть бути різні фактори. Ненадійність квантового каналу обумовлена тим, що фотони можуть викликати шум при зміні вектора поляризації фотона. В запропонованому рішенні квантова складова протоколу відбувається лише на першому етапі передачі захищеного ключа, де відбувається обмін фотонами. Система квантового розподілу ключів має неминучі помилки в просіяному ключі, які повинні бути виправлені алгоритмом виправлення помилок для створення захищеного ключа. На відміну від інших відомих QKD систем, де на етапі корекції помилок просіяні ключі виправляються та переходять на наступний етап посилення конфіденційності, в модифікованому методі запропоновано використовувати просіяні ключі як ключі в одноразових шифрах Вернама, а вектор, який буде йти на наступний етап, генерувати випадковим чином та поєднувати з просіяним ключем. Відмінність у просіяних ключах між двома сторонами виправляється за допомогою матриць перевірки на парність (LDPC), які заздалегідь відомі їм обом. Матриці перевірки на парність створюються алгоритмом, запропонованим Девідом Маккеєм та Редфордом Нілом.
Посилання
Ekert A. K., “Quantum Cryptography and Bell’s Theorem,” P.P. 413–418, 1992, DOI: 10.1007/978-1-4615-3386-3_34.
Rivest R. L., Shamir A., and Adleman L., “A method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems” Commun. ACM, vol. 21, № 2. Pр. 120–126, Feb. 1978, DOI: 10.1145/359340.359342.
Bennett C. H. and Brassard G., “BB84 highest.pdf,” Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing. Pр. 174–179, 1984.
Sibson P. et al., “Chip-based quantum key distribution,” Nat. Commun., vol. 8, May 2016, 2017, DOI: 10.1038/ncomms13984.
Lucamarini M., Yuan Z. L., Dynes J. F., and Shields A. J., “Overcoming the rate–distance limit of quantum key distribution without quantum repeaters,” Nature, vol. 557, № 7705. Pр. 400–403, May 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0066-6.
Yuan Z. et al., “10-Mb/s Quantum Key Distribution,” J. Light. Technol., vol. 36, № 16. Pр. 3427–3433, 2018, DOI: 10.1109/JLT.2018.2843136.
Lo H.-K., Curty M., and Qi B., “Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution,” Phys. Rev. Lett., vol. 108, №.13, P. 130503, Mar. 2012.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.130503.
Park C. H. et al., “Practical plug-and-play measurement-device-independent quantum key distribution with polarization division multiplexing,” IEEE Access, vol. 6. Pр. 58587–58593, 2018, DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2874028.
Park B. K.,. Woo M. K, Kim Y.-S., Cho Y.-W., Moon S., and Han S.-W., “User-independent optical path length compensation scheme with sub-nanosecond timing resolution for a 1 × N quantum key distribution network system,” Photonics Res., vol. 8, № 3. P. 296, Mar. 2020, DOI: 10.1364/PRJ.377101.
Eriksson T. A et al., “Crosstalk Impact on Continuous Variable Quantum Key Distribution in Multicore Fiber Transmission,” IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 31, № 6. Pр. 467–470, 2019, DOI: 10.1109/LPT.2019.2898458.
Brassard G. and Salvail L., “Secret-key reconciliation by public discussion,” Lect. Notes Comput. Sci. (including Subser. Lect. Notes Artif. Intell. Lect. Notes Bioinformatics), vol. 765 LNCS. Pр. 410–423, 1994, DOI: 10.1007/3-540-48285-7_35.
Buttler W. T., Lamoreaux S. K., Torger¬son J. R., Nickel G. H., Donahue C. H., and Peter¬son C. G., “Fast, efficient error reconciliation for quantum cryptography,” Phys. Rev. A - At. Mol. Opt. Phys., vol. 67, № 5. P. 8, 2003,
DOI: 10.1103/PhysRevA.67.052303.
Gallager, “Low density parity check codes,” 1963.
Mackay D. J. C. and Neal R. M., “Good codes based on very sparse matrices,” in Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics), 1995, vol. 1025. Pр. 100–111, DOI: 10.1007/3-540-60693-9_13.
MacKay D. J. C., “Good error-correcting codes based on very sparse matrices,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 45, № 2. Pр. 399–431, 1999,
DOI: 10.1109/18.748992.
Milicevic M., Feng C., Zhang L. M., and.
Gulak P. G, “Key Reconciliation with Low-Density Parity-Check Codes for Long-Distance Quantum Cryptography,” № April. Pр. 1–23, 2017.
DOI: 10.1038/s41534-018-0070-6.
S. Vernam, “Secret signaling system,” 1919.
Shannon C. E., “Communication Theory of Secrecy Systems,” Bell Syst. Tech. J., vol. 28, № 4. Pр. 656–715, 1949, DOI: 10.1002/j.1538-7305.1949.tb00928.x.
Peng W., Cheng D., and Song C., “One-time-pad cryptography scheme based on a three-dimensional DNA self-assembly pyramid structure,” PLoS One, vol. 13. № 11. P. e0206612, Nov. 2018.
DOI: 10.1371/journal.pone.0206612
