Estado señuelo

En criptografía cuántica , un protocolo de estado señuelo es un esquema de distribución de clave cuántica (QKD). Los sistemas QKD prácticos utilizan fuentes multifotónicas, a diferencia del protocolo estándar BB84 , lo que los hace susceptibles a ataques de división del número de fotones (PNS). Esto limitaría significativamente la tasa de transmisión segura o la longitud máxima del canal en los sistemas QKD prácticos. En la técnica de estado señuelo, esta debilidad fundamental de los sistemas QKD prácticos se aborda mediante el uso de múltiples niveles de intensidad en la fuente del transmisor; es decir, Alice transmite cúbits utilizando niveles de intensidad elegidos aleatoriamente (un estado de señal y varios estados señuelo), lo que resulta en estadísticas variables del número de fotones a lo largo del canal. Al final de la transmisión, Alice anuncia públicamente qué nivel de intensidad se ha utilizado para la transmisión de cada cúbit. Un ataque PNS exitoso requiere mantener la tasa de error de bits (BER) en el extremo del receptor, lo cual no se puede lograr con estadísticas de múltiples fotones. Al monitorizar las tasas de error de bits (BER) asociadas a cada nivel de intensidad, las dos partes legítimas podrán detectar un ataque PNS, con tasas de transmisión seguras o longitudes de canal máximas muy superiores, lo que hace que los sistemas QKD sean adecuados para aplicaciones prácticas.

En las pruebas de seguridad de los protocolos QKD, como BB84 , se asume que la emisora, Alice, utiliza una fuente de un solo fotón. En realidad, no existe una fuente perfecta de un solo fotón. En cambio, se utilizan ampliamente fuentes prácticas, como una fuente láser de estado coherente débil , para QKD. El problema principal de estas fuentes prácticas de QKD radica en sus componentes multifotónicos. Existe una grave vulnerabilidad de seguridad cuando Alice utiliza estados multifotónicos como portadores de información cuántica. Con componentes multifotónicos, un espía, Eve, podría, en principio, dividir los fotones, quedarse con uno y enviar el resto a Bob. Después de que Alice y Bob anuncien la información base, Eve puede medir el fotón interceptado para obtener la información clave. Cuando el canal presenta pérdidas, Eve puede lanzar ataques más sofisticados, como el ataque de división del número de fotones. Para minimizar los efectos de los estados multifotónicos, Alice debe utilizar una fuente láser extremadamente débil, lo que resulta en una velocidad de QKD relativamente baja. Se propone el método de estados señuelo para resolver este problema de multifotones utilizando varias intensidades de fotones diferentes en lugar de una sola. Con los estados señuelo, las fuentes prácticas, como una fuente de estado coherente o una fuente de conversión descendente paramétrica anunciada (PDC), funcionan casi tan bien como una fuente de un solo fotón. ^{[ 1 ]}

El esquema de estados señuelo fue propuesto por Won-Young Hwang de la Universidad Northwestern . ^{[ 2 ]} Posteriormente, se demostró su seguridad mediante el desarrollo de un modelo de canal de número de fotones y asumiendo el uso de un número infinito de estados señuelo. ^{[ 3 ]} Un método práctico común de estados señuelo solo necesita dos estados señuelo: un señuelo de vacío y un señuelo débil. Este método de estado señuelo de vacío + débil fue propuesto por primera vez por Hoi-Kwong Lo de la Universidad de Toronto , ^{[ 4 ]} y luego fue analizado por otros. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Se ha demostrado que con solo los estados señuelo de vacío y débil, la tasa de clave alcanzada es muy cercana al caso de un número infinito de estados señuelo. ^{[ 6 ]}

El primer experimento del método de estado señuelo fue realizado por el grupo de Hoi-Kwong Lo y su colaborador Li Qian, ^{[ 7 ]} donde se empleó el método de un estado señuelo ^{[ 6 ]} . La distancia de transmisión es de 15 km y la velocidad de generación de clave es de 165 bit/s. Luego, se demostró una QKD de mayor distancia con el método de vacío + estado señuelo débil a través de una fibra de 60 km. ^{[ 8 ]} Posteriormente, tres grupos experimentales demostraron el método de estado señuelo a distancias de más de 100 km. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Hay muchas otras demostraciones después. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

También se han analizado protocolos QKD de estado señuelo con fuentes de estado no coherente. Se propone un protocolo de estado señuelo pasivo, donde los estados señuelo se preparan pasivamente, como fuente de conversión descendente paramétrica . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

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