Continuous-variable quantum cryptographic protocols

par Shouvik Ghorai

Thèse de doctorat en Communication quantique

Sous la direction de Eleni Diamanti et de Anthony Leverrier.

Soutenue le 12-02-2021

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris , en partenariat avec LIP6 (1997-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Antoine Joux.

Le jury était composé de Agnes Ferenczi.

Les rapporteurs étaient Raúl García-Patrón, Antonio Acín.

  • Titre traduit

    Protocoles de cryptographie quantique en variables continues


  • Résumé

    Cette thèse porte sur l'étude et l'analyse de deux protocoles de cryptographie quantiques: la distribution de clés quantiques (Quantum Key Distribution, QKD) et la monnaie quantique infalsifiable en variables continues (Continuous Variables, CV). Le principal avantage des protocoles CV est que leur mise en œuvre ne nécessite que des composants télécoms standards. La QKD permet à deux parties distantes d'établir une clé sécurisée même en présence d'une espionne. Une propriété remarquable de la QKD est que sa sécurité peut être établie dans le cadre de la théorie de l'information. Prouver la sécurité des protocoles CV-QKD est un défi car les protocoles sont décrits dans un espace de dimension infinie. L'une des questions ouvertes de la CV-QKD était d'établir la sécurité des protocoles QKD bidirectionnels contre les attaques générales. Nous exploitons l'invariance du groupe unitaire du protocole pour établir la sécurité composable. Nous répondons à une autre question pressante dans le domaine de la CV-QKD à modulation discrète en établissant la sécurité asymptotique de tels protocoles contre les attaques collectives. Nous fournissons une technique générale pour dériver une limite inférieure sur le taux de clé secrète en utilisant un programme semi-défini. L'argent quantique exploite la propriété de non-clonage de la mécanique quantique pour générer des jetons, des billets de banque et des cartes de crédit infalsifiables. Nous proposons un schéma de monnaie quantique à clé privée CV avec vérification classique. La motivation derrière ce protocole est de faciliter la mise en œuvre pratique. Les précédents protocoles proposés utilisent des détecteurs à photons uniques, alors que nos protocoles utilisent la détection cohérente.


  • Résumé

    This thesis is concerned with the study and analysis of two quantum cryptographic protocols: quantum key distribution (QKD) and unforgeable quantum money in the continuous-variable (CV) framework. The main advantage of CV protocols is that their implementation only requires standard telecom components. QKD allows two distant parties, Alice and Bob, to establish a secure key, even in the presence of an eavesdropper, Eve. The remarkable property of QKD is that its security can be established in the information-theoretic setting, without appealing to any computational assumptions. Proving the security of CV-QKD protocols is challenging since the protocols are described in an infinite-dimensional Fock space. One of the open questions in CV-QKD was establishing security for two-way QKD protocols against general attacks. We exploit the invariance of Unitary group U(n) of the protocol to establish composable security against general attacks. We answer another pressing question in the field of CV-QKD with a discrete modulation by establishing the asymptotic security of such protocols against collective attacks. We provide a general technique to derive a lower bound on the secret key rate by formulating the problem as a semidefinite program. Quantum money exploits the no-cloning property of quantum mechanics to generate unforgeable tokens, banknotes, and credit cards. We propose a CV private-key quantum money scheme with classical verification. The motivation behind this protocol is to facilitate the process of practical implementation. Previous classical verification money schemes use single-photon detectors for verification, while our protocols use coherent detection.

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