Skip to main content
Erschienen in: Quantum Information Processing 4/2024

01.04.2024

Improving the security of quantum key distribution with multi-step advantage distillation

verfasst von: Chen-Peng Hao, Yang Liu, Yang Wang, Chun Zhou, Yan-Yang Zhou, Wan-Su Bao, Hong-Wei Li

Erschienen in: Quantum Information Processing | Ausgabe 4/2024

Einloggen

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

How to improve the key rate is an important question to analyze the security of quantum key distribution (QKD). Based on the one-step advantage distillation (OSAD), the key rate and transmission distance can be improved. In this work, we propose the multi-step advantage distillation (MSAD), which can further improve the key rate compared with OSAD. By applying MSAD, the single-photon QKD protocol and decoy-state QKD protocol are, respectively, analyzed. The analysis results demonstrate that MSAD can sharply improve the key rate under the condition of high error rate or long transmission distance.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 340 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Versicherung + Risiko




Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat Lo, H.K., Chau, H.F.: Unconditional security of quantum key distribution over arbitrarily long distances. Science 283(5410), 2050–2056 (1999)ADSCrossRef Lo, H.K., Chau, H.F.: Unconditional security of quantum key distribution over arbitrarily long distances. Science 283(5410), 2050–2056 (1999)ADSCrossRef
2.
Zurück zum Zitat Shor, P.W., Preskill, J.: Simple proof of security of the BB84 quantum key distribution protocol. Phys. Rev. Lett. 85(2), 441 (2000)ADSCrossRef Shor, P.W., Preskill, J.: Simple proof of security of the BB84 quantum key distribution protocol. Phys. Rev. Lett. 85(2), 441 (2000)ADSCrossRef
3.
Zurück zum Zitat Renner, R.: Security of quantum key distribution. Int. J. Quantum Inf. 6(01), 1–127 (2008)CrossRef Renner, R.: Security of quantum key distribution. Int. J. Quantum Inf. 6(01), 1–127 (2008)CrossRef
4.
Zurück zum Zitat Maurer, U.M.: Secret key agreement by public discussion from common information. IEEE Trans. Inf. Theory 39(3), 733–742 (1993)MathSciNetCrossRef Maurer, U.M.: Secret key agreement by public discussion from common information. IEEE Trans. Inf. Theory 39(3), 733–742 (1993)MathSciNetCrossRef
5.
Zurück zum Zitat Bennett, C.H., Brassard, G.: Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing. Theor. Comput. Sci. 560, 7–11 (2014)MathSciNetCrossRef Bennett, C.H., Brassard, G.: Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing. Theor. Comput. Sci. 560, 7–11 (2014)MathSciNetCrossRef
6.
Zurück zum Zitat Bruß, D.: Optimal eavesdropping in quantum cryptography with six states. Phys. Rev. Lett. 81(14), 3018 (1998)ADSCrossRef Bruß, D.: Optimal eavesdropping in quantum cryptography with six states. Phys. Rev. Lett. 81(14), 3018 (1998)ADSCrossRef
7.
Zurück zum Zitat Renner, R., Gisin, N., Kraus, B.: Information-theoretic security proof for quantum-key-distribution protocols. Phys. Rev. A 72(1), 012332 (2005)ADSCrossRef Renner, R., Gisin, N., Kraus, B.: Information-theoretic security proof for quantum-key-distribution protocols. Phys. Rev. A 72(1), 012332 (2005)ADSCrossRef
8.
Zurück zum Zitat Murta, G., Rozpędek, F., Ribeiro, J., et al.: Key rates for quantum key distribution protocols with asymmetric noise. Phys. Rev. A 101(6), 062321 (2020)ADSMathSciNetCrossRef Murta, G., Rozpędek, F., Ribeiro, J., et al.: Key rates for quantum key distribution protocols with asymmetric noise. Phys. Rev. A 101(6), 062321 (2020)ADSMathSciNetCrossRef
9.
Zurück zum Zitat Acín, A., Bae, J., Bagan, E., et al.: Secrecy properties of quantum channels. Phys. Rev. A 73(1), 012327 (2006)ADSCrossRef Acín, A., Bae, J., Bagan, E., et al.: Secrecy properties of quantum channels. Phys. Rev. A 73(1), 012327 (2006)ADSCrossRef
10.
Zurück zum Zitat Chau, H.F.: Practical scheme to share a secret key through a quantum channel with a 27.6% bit error rate. Phys. Rev. A 66(6), 060302 (2002)ADSCrossRef Chau, H.F.: Practical scheme to share a secret key through a quantum channel with a 27.6% bit error rate. Phys. Rev. A 66(6), 060302 (2002)ADSCrossRef
11.
Zurück zum Zitat Tan, E.Y.Z., Lim, C.C.W., Renner, R.: Advantage distillation for device-independent quantum key distribution. Phys. Rev. Lett. 124(2), 020502 (2020)ADSCrossRef Tan, E.Y.Z., Lim, C.C.W., Renner, R.: Advantage distillation for device-independent quantum key distribution. Phys. Rev. Lett. 124(2), 020502 (2020)ADSCrossRef
12.
Zurück zum Zitat Stasiuk, M., Lutkenhaus, N., Tan, E.Y.Z.: The quantum Chernoff divergence in advantage distillation for QKD and DIQKD. arXiv:2212.06975 (2022) Stasiuk, M., Lutkenhaus, N., Tan, E.Y.Z.: The quantum Chernoff divergence in advantage distillation for QKD and DIQKD. arXiv:​2212.​06975 (2022)
13.
Zurück zum Zitat Lütkenhaus, N., Jahma, M.: Quantum key distribution with realistic states: photon-number statistics in the photon-number splitting attack. New J. Phys. 4(1), 44 (2002)ADSCrossRef Lütkenhaus, N., Jahma, M.: Quantum key distribution with realistic states: photon-number statistics in the photon-number splitting attack. New J. Phys. 4(1), 44 (2002)ADSCrossRef
14.
Zurück zum Zitat Hwang, W.Y.: Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication. Phys. Rev. Lett. 91(5), 057901 (2003)ADSCrossRef Hwang, W.Y.: Quantum key distribution with high loss: toward global secure communication. Phys. Rev. Lett. 91(5), 057901 (2003)ADSCrossRef
15.
Zurück zum Zitat Wang, X.B.: Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography. Phys. Rev. Lett. 94(23), 230503 (2005)ADSCrossRef Wang, X.B.: Beating the photon-number-splitting attack in practical quantum cryptography. Phys. Rev. Lett. 94(23), 230503 (2005)ADSCrossRef
16.
Zurück zum Zitat Lo, H.K., Ma, X.F., Chen, K.: Decoy state quantum key distribution. Phys. Rev. Lett. 94(23), 230504 (2005)ADSCrossRef Lo, H.K., Ma, X.F., Chen, K.: Decoy state quantum key distribution. Phys. Rev. Lett. 94(23), 230504 (2005)ADSCrossRef
17.
Zurück zum Zitat Li, H.W., Zhang, C.M., Jiang, M.S., et al.: Improving the performance of practical decoy-state quantum key distribution with advantage distillation technology. Commun. Phys. 5(1), 53 (2022)CrossRef Li, H.W., Zhang, C.M., Jiang, M.S., et al.: Improving the performance of practical decoy-state quantum key distribution with advantage distillation technology. Commun. Phys. 5(1), 53 (2022)CrossRef
18.
Zurück zum Zitat Xu, F.H., Xu, H., Lo, H.K.: Protocol choice and parameter optimization in decoy-state measurement-device-independent quantum key distribution. Phys. Rev. A 89(5), 052333 (2014)ADSCrossRef Xu, F.H., Xu, H., Lo, H.K.: Protocol choice and parameter optimization in decoy-state measurement-device-independent quantum key distribution. Phys. Rev. A 89(5), 052333 (2014)ADSCrossRef
19.
Zurück zum Zitat Gobby, C., Yuan, Z.L., Shields, A.J.: Quantum key distribution over 122 km of standard telecom fiber. Appl. Phys. Lett. 84(19), 3762–3764 (2004)ADSCrossRef Gobby, C., Yuan, Z.L., Shields, A.J.: Quantum key distribution over 122 km of standard telecom fiber. Appl. Phys. Lett. 84(19), 3762–3764 (2004)ADSCrossRef
20.
Zurück zum Zitat Ursin, R., Tiefenbacher, F., Schmitt-Manderbach, T., et al.: Entanglement-based quantum communication over 144 km. Nat. Phys. 3(7), 481–486 (2007)CrossRef Ursin, R., Tiefenbacher, F., Schmitt-Manderbach, T., et al.: Entanglement-based quantum communication over 144 km. Nat. Phys. 3(7), 481–486 (2007)CrossRef
21.
Zurück zum Zitat Wang, R.Q., Zhang, C.M., Yin, Z.Q., et al.: Phase-matching quantum key distribution with advantage distillation. New J. Phys. 24(7), 073049 (2022)ADSMathSciNetCrossRef Wang, R.Q., Zhang, C.M., Yin, Z.Q., et al.: Phase-matching quantum key distribution with advantage distillation. New J. Phys. 24(7), 073049 (2022)ADSMathSciNetCrossRef
22.
Zurück zum Zitat Pirandola, S., Laurenza, R., Ottaviani, C., et al.: Fundamental limits of repeaterless quantum communications. Nat. Commun. 8(1), 15043 (2017)ADSCrossRef Pirandola, S., Laurenza, R., Ottaviani, C., et al.: Fundamental limits of repeaterless quantum communications. Nat. Commun. 8(1), 15043 (2017)ADSCrossRef
23.
Zurück zum Zitat Scarani, V., Bechmann-Pasquinucci, H., Cerf, N.J., et al.: The security of practical quantum key distribution. Rev. Modern Phys. 81(3), 1301 (2009)ADSCrossRef Scarani, V., Bechmann-Pasquinucci, H., Cerf, N.J., et al.: The security of practical quantum key distribution. Rev. Modern Phys. 81(3), 1301 (2009)ADSCrossRef
24.
Zurück zum Zitat Li, H.W., Chen, W., Yao, Y., et al.: Security of quantum key distribution. SCIENTIA SINICA Phys. Mech. Astron. 42(11), 1237–55 (2012)ADSCrossRef Li, H.W., Chen, W., Yao, Y., et al.: Security of quantum key distribution. SCIENTIA SINICA Phys. Mech. Astron. 42(11), 1237–55 (2012)ADSCrossRef
25.
Zurück zum Zitat Gottesman, D., Lo, H.K., Lutkenhaus, N., et al.: Security of quantum key distribution with imperfect devices. Quantum Inf. Comput. 4(5), 325–60 (2004)MathSciNet Gottesman, D., Lo, H.K., Lutkenhaus, N., et al.: Security of quantum key distribution with imperfect devices. Quantum Inf. Comput. 4(5), 325–60 (2004)MathSciNet
26.
Zurück zum Zitat Chen, Y.A., Zhang, Q., Chen, T.Y., et al.: An integrated space-to-ground quantum communication network over 4600 km. Nature 589(7841), 214–219 (2021)ADSCrossRef Chen, Y.A., Zhang, Q., Chen, T.Y., et al.: An integrated space-to-ground quantum communication network over 4600 km. Nature 589(7841), 214–219 (2021)ADSCrossRef
Metadaten
Titel
Improving the security of quantum key distribution with multi-step advantage distillation
verfasst von
Chen-Peng Hao
Yang Liu
Yang Wang
Chun Zhou
Yan-Yang Zhou
Wan-Su Bao
Hong-Wei Li
Publikationsdatum
01.04.2024
Verlag
Springer US
Erschienen in
Quantum Information Processing / Ausgabe 4/2024
Print ISSN: 1570-0755
Elektronische ISSN: 1573-1332
DOI
https://doi.org/10.1007/s11128-024-04354-5

Weitere Artikel der Ausgabe 4/2024

Quantum Information Processing 4/2024 Zur Ausgabe