Titelaufnahme

Titel
Security aspects of quantum cryptographic protocols in multi-qubit systems / Stefan Schauer
VerfasserSchauer, Stefan
Begutachter / BegutachterinSuda, Martin ; Hiesmayr, Beatrix
Erschienen2011
UmfangX, 256 S. : graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2011
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Quantenkryptographie / Quantum Key Distibution / QKD / Quantum Secret Sharing / Sicherheit / Entanglement / Entanglement Swapping / Multi-Qubit Systeme
Schlagwörter (EN)Quantum Cryptography / Quantum Key Distibution / QKD / Quantum Secret Sharing / Security / Entanglement / Entanglement Swapping / Multi-Qubit Systems
Schlagwörter (GND)Quantenkryptologie / Verschränkter Zustand / Kommunikationsprotokoll / Sicherheit
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-44081 Persistent Identifier (URN)
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Security aspects of quantum cryptographic protocols in multi-qubit systems [1.56 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der Fokus dieser Dissertation liegt auf Protokollen der Quantenkryptographie, die Entanglement in Multi-Qubit Systemen einsetzen. Ausgehend von einem Angriffsszenario, das von uns entwickelt wurde und bei dem sich der Angreifer mit den Parteien verschränkt, wird die Sicherheit von Protokollen gegenüber dieser Attacke betrachtet. Die Sicherheit in diesen Protokollen basiert auf den Korrelationen gegeben durch das Entanglement Swapping und wir konnten zeigen, dass für einige Protokolle ein Angreifer volle Information über den Schlüssel erhält. Im Zuge der Sicherheitsanalyse werden auch die Auswirkungen von natürlichen Störungen auf die Korrelationen des Entanglement Swapping untersucht. Durch die Erkenntnisse aus diesen Sicherheitsanalysen ergeben sich Schwellwerte für die Fidelity der Initialsysteme. Im Einzelnen ergibt sich bei einer Fidelity von nicht mehr als 94.28% eine natürliche Fehlerrate von weniger als 11%, was die maximale Fehlerrate beim Quantum Key Distribution Protokollen darstellt.

Darüber hinaus bringen wir die Fidelity mit der Länge des Kanals in Zusammenhang und erhalten, basierend auf unterschiedlichen Modellen, eine Länge von 1.19 km bis hin zu 5.98 km als maximale Distanz, um sichere Kommunikation zu garantieren. Um diese Distanzen zu uberschreiten sind Entanglement Purification Protokolle von großem Interesse und werden in Hinsicht auf ihre Auswirkungen auf die von uns entwickelte Attacke untersucht.

Das vornehmliche Ziel dieser Arbeit ist es, einen tieferen Einblick in die Sicherheit von Protokollen basierend auf Entanglement in Multi-Qubit Systemen zu geben und eine Verbindung zu den Sicherheitsparametern der Quantum Key Distribution Protokollen herzustellen.

Zusammenfassung (Englisch)

The focus of this thesis lies on quantum cryptographic protocols based on entanglement in multi-qubit systems. Starting from an attack strategy we developed where an adversary entangles herself with the legitimate parties the security of such protocols using multi-qubit systems is analyzed in detail. The security analysis is based on the violation of the correlations given by entanglement swapping and it is shown that for some protocols the adversary is able to obtain full information about the key. Further, the effect of noise in connection with entanglement swapping is discussed. Based on the detailed security analysis thresholds for the fidelity of the initial states are defined.

In detail, we show that for a fidelity of the initial entangled states greater than 94.28% a natural error rate of at most 11% is introduced, which is the maximal tolerable error rate for quantum key distribution protocols.

Furthermore, this fidelity is related to the length of the quantum channel and we found that the maximum length for secure communication is 1.19 km. Using alternative models of a quantum channel a length of up to 5.98 km is obtained. To enlarge these distances entanglement purification protocols are of great interest and their effect on the attack strategy we developed is investigated.

The main goal of this thesis is to provide a deeper insight into the security of protocols based on entanglement in multi-qubit systems and to give a connection to the security thresholds of the quantum key distribution protocols.