BB84

El protocol BB84, que rep el nom dels seus inventors Charles Bennett i Gilles Brassard el 1984, és un protocol de distribució de claus quàntiques (QKD) de preparació i mesura, en què una part (per exemple, Alice) realitza la codificació preparant els estats quàntics i l'altra part (per exemple, Bob) els mesura. L'esquema BB84 QKD és el primer protocol de criptografia quàntica i s'ha convertit en un dels protocols QKD més ben estudiats. El protocol és demostrablement segur assumint una implementació perfecta, basant-se en dues condicions: (1) la propietat quàntica que el guany d'informació només és possible a costa de pertorbar el senyal si els dos estats que s'intenta distingir no són ortogonals (vegeu el teorema de no clonació); i (2) l'existència d'un canal clàssic públic autenticat. Com a tal, la seguretat del protocol BB84 es basa fonamentalment en el principi que dos estats quàntics no ortogonals no es poden distingir perfectament. Aquesta limitació inherent significa que els estats no es poden copiar de manera fiable, garantint així un marc robust per a una comunicació quàntica segura. El protocol BB84 QKD s'explica normalment com un mètode per comunicar de manera segura una clau privada d'una part a una altra per al seu ús en el xifratge d'un sol ús.Quantum Computing and Quantum Information, Michael Nielsen and Isaac Chuang, Cambridge University Press 2000 La prova de l'esquema BB84 QKD depèn d'una implementació perfecta. Existeixen atacs de canal lateral, que aprofiten fonts d'informació no quàntiques. Com que aquesta informació no és quàntica, es pot interceptar sense mesurar ni clonar partícules quàntiques.Dixon, A. R., Dynes, J. F., Lucamarini, M., Fröhlich, B., Sharpe, A. W., Plews, A., Tam, W., Yuan, Z. L., Tanizawa, Y., Sato, H., Kawamura, S., Fujiwara, M., Sasaki, M., & Shields, A. J. (2017). Quantum key distribution with hacking countermeasures and long term field trial. Scientific Reports, 7, 1978. El protocol BB84 proporciona un avenç significatiu en el camp de la criptografia quàntica i representa un pas pioner cap a la consecució d'una comunicació segura en l'era quàntica.

Visió general El sistema BB84 QKD transmet fotons individuals a través d'un cable de fibra òptica, on cada fotó representa un bit de dades (zero o un). Els filtres polaritzadors del costat de l'emissor estableixen l'orientació de cada fotó, mentre que el receptor utilitza divisors de feix per llegir-lo. L'emissor i el receptor comparen les seves orientacions fotòniques, i el conjunt coincident es converteix en la clau criptogràfica. Tanmateix, també és possible la codificació amb altres graus de llibertat, per exemple, la fase, i els procediments són similars.

Descripció miniatura|450x450px|Una simulació interactiva d'una implementació òptica del protocol de distribució de claus quàntiques BB84 al Laboratori Virtual de Quantum Flytrap, disponible en línia. En aquesta configuració òptica, els bits es codifiquen mitjançant estats de polarització ortogonals dels fotons . L'Alice i el Bob seleccionen les seves bases de mesura girant la polarització 0 o 45 graus mitjançant rotadors de Faraday. Els detectors d'un sol fotó mesuren la sortida després que els fotons passin per un divisor de feix polaritzador, que separa les polaritzacions. Una simulació interactiva d'una implementació òptica del protocol de distribució de claus quàntiques BB84 al Laboratori Virtual de Quantum Flytrap, disponible en línia. En aquesta configuració òptica, els bits es codifiquen mitjançant estats de polarització ortogonals dels fotons. L'Alice i el Bob seleccionen les seves bases de mesura girant la polarització 0 o 45 graus mitjançant rotadors de Faraday. Els detectors d'un sol fotó mesuren la sortida després que els fotons passin per un divisor de feix polaritzador, que separa les polaritzacions.

En l'esquema BB84, l'Alícia vol enviar una clau privada a en Bob. Comença amb dues cadenes de bits, i , cadascun bits de llarg. Aleshores prepara un -estat del qubit escrit com:

on i són els bits -èsims de i respectivament. Junts, doneu-nos un índex dels quatre estats de qubit següents:

Tingueu en compte que el bit és el que decideix quina base està codificat en (ja sigui a la base computacional o a la base d'Hadamard). Els qubits ara es troben en estats que no són mútuament ortogonals i, per tant, és impossible distingir-los tots amb certesa sense saber .

Alícia envia a través d'un canal quàntic públic i autenticat a Bob. Bob rep un estat , on representa tant els efectes del soroll al canal com l'escolta per part d'una tercera part que anomenarem Eva. Després que Bob rebi la cadena de qubits, tant Bob com Eva tenen els seus propis estats. Tanmateix, com que només Alice sap , fa que sigui pràcticament impossible que ni en Bob ni l'Eva distingeixin els estats dels qubits. A més, després que en Bob hagi rebut els qubits, sabem que l'Eva no pot estar en possessió d'una còpia dels qubits enviats a en Bob, pel teorema de no clonació, tret que hagi fet mesures. Les seves mesures, però, corren el risc de pertorbar un qubit en particular amb probabilitat si endevina la base equivocada.

En Bob procedeix a generar una cadena de bits aleatoris de la mateixa longitud que i després mesura els qubits que ha rebut d'Alícia, obtenint una cadena de bits En aquest punt, en Bob anuncia públicament que ha rebut la transmissió de l'Alice. Llavors l'Alice sap que ja pot anunciar amb seguretat , és a dir, les bases en què es van preparar els qubits. Bob es comunica a través d'un canal públic amb Alice per determinar quines i no són iguals. Tant l'Alícia com en Bob descarten ara els bits de i on i no coincideixen.

De la resta bits on tant l'Alícia com en Bob van mesurar en la mateixa base, l'Alícia tria a l'atzar bits i revela les seves eleccions a través del canal públic. Tant l'Alice com en Bob anuncien aquests bits públicament i executen una comprovació per veure si més d'un cert nombre d'ells coincideixen. Si aquesta comprovació s'aprova, l'Alice i en Bob procedeixen a utilitzar tècniques de reconciliació d'informació i amplificació de la privadesa per crear un cert nombre de claus secretes compartides. En cas contrari, cancel·len i comencen de nou.

Referències

Categoria:Codificació Categoria:Mecànica quàntica Categoria:Algorismes