Tight security bounds for quantum key distribution

Ci Wen Lim, Hugo Zbinden
2014
Université de Genève Groupe de Physique Appliquée Faculté des Sciences Professeur Hugo Zbinden de la distribution de clés quantiques (Quantum Key Distribution, abbr. QKD), la sécurité des implémentations disponibles actuellement sur le marché n'est pas établie de manière rigoureuse. Cette impasse s'explique en grande partie du fait que les analyses de sécurité dépendent fortement de la taille des blocs utilisés lors du post-traitement classique, et, en conséquence, les bornes de sécurité
more » ... ntes sont trop pessimistes. Autrement dit, appliquer ces bornes de sécurité aux implémentations QKD existantes réduirait de manière sévère leur efficacité. Dans la première de cette thèse, nous évitons cette impasse par l'introduction d'une technique de preuve générale, permettant de calculer des bornes précises lors de l'évaluation de la sécurité de systèmes QKD. Plus spécifiquement, nous montrons que deux découvertes récentes, c'est-à-dire une relation d'incertitude entropique de type smooth et une concentration inequality, permettent de borner précisément la longueur de la clé secrète pouvant être extraite lors de différents protocoles de QKD. Par exemple, nous appliquons cette technique de preuve à la QKD decoy-state, l'un des protocoles de QKD les plus répandus, et montrons que des clés secrètes peuvent être distribuées même en présence de pertes importantes, quand bien même le post-processing classique utilise des tailles de blocs très petites. Dans la dernière partie de cette thèse, nous portons notre attention sur le protocole de cryptographie coherent one-way (COW), basé sur la transmission de pulses de laser cohérentes. Ce protocole a été implémenté lors de plusieurs expériences, bien qu'une analyse de sécurité formelle soit toujours manquante. Dans ce travail, nous présentons une étape importante de cette analyse, soit l'extension des bornes de sécurité asymptotiques existantes pour COW (valides contre une classe restreinte d'attaques) au régime de clés à taille finies. iii Abstract Despite the significant progress made in both theoretical and experimental quantum key distribution (QKD), the security of current QKD implementations is still not yet established rigorously. One of the major causes of this impasse is that existing security analyses are strongly dependently on the classical-post-processing block size, and as a consequence, the resulting security bounds are unduly pessimistic. In other words, applying these security bounds to current QKD implementations would severely impair the efficiency of these implementations. In the first part of the thesis, we overcome this impasse by introducing a general security proof technique that can be used to derive tight security bounds for QKD. Specifically, we show that by using a recently formulated entropic uncertainty relation for smooth entropies and a newly derived concentration inequality, tight bounds on the extractable secret key length can be established for QKD. Our security proof technique can also be applied to practical QKD protocols. For example, we apply this security proof technique to decoy-state QKD, which is one of the most widely implemented QKD protocols, and show that secure keys can be distributed in the presence of high channel loss, even if the underlying classical-post-processing block size is very small. This provides an important step towards the implementation of truly secure and practical QKD systems. In the later part of the thesis, we switch our focus to the coherent one-way (COW) QKD protocol, which is based on the transmission of coherent laser pulses. This protocol has been implemented in several experiments, however a formal security analysis is still missing. Here, we overcome this issue by extending existing asymptotic security bounds (valid against restricted class of attacks) for the COW protocol to the finite-key length regime. v
doi:10.13097/archive-ouverte/unige:39091 fatcat:klov5w4xhvezhpdf32xh4ruggu