On the security and the performance of quantum key distribution

Abstract

Quantum key distribution (QKD) enables the remote delivery of cryptographic keys between distant parties, making use of an open channel possibly monitored by an adversary.

Although QKD is the most developed application of quantum information science, several challenges hinder the widespread adoption of QKD to secure private communications. On the one hand, the performance of real-life QKD systems is significantly restricted: the attainable distances of fiber-based QKD typically reach various hundreds of kilometers in the best case, and the secret key generation rate is limited as well. On the other hand, although it is often stated that the so-called information-theoretic security of QKD emanates from the laws of quantum mechanics, the truth is that quantum mechanics alone does not suffice. Instead, additional assumptions on the QKD devices are required to mathematically establish the security of QKD. Unluckily though, the real behaviour of the QKD devices usually deviates from these theoretical specifications in various ways, in so opening a series of security loopholes that can be exploited by an adversary.

The present thesis tackles selected problems related to the performance of QKD, and especially to its implementation security issues. The topics include an analysis of intensity correlations in QKD -an emergent problem in the popular approach of decoy-state QKD-, a performance evaluation of device-independent QKD with realistic devices, and a theoretical solution to secure QKD against sabotaged equipment, based on the use of redundancy and secret sharing. Moreover, this last work is accompanied with the report of an experiment that shows the feasibility of the proposed theoretical protocol.

Putting it all together, the underlying goal of the thesis is to provide notable inputs to bridge the gap between theory and practice in QKD, a certainly urgent challenge in the field of quantum communications.

Los sistemas cuánticos de distribución de claves (SCDC) permiten establecer claves criptográficas entre usuarios distantes a través de un canal abierto, posiblemente controlado por un adversario.

Pese a que los SCDC constituyen la aplicación más desarrollada de la ciencia de la información cuántica, varios retos impiden aún su uso generalizado para la tarea de asegurar la privacidad de las comunicaciones. Por un lado, las prestaciones de los SCDC reales están significativamente restringidas: las distancias que pueden cubrir los sistemas basados en fibra óptica típicamente alcanzan varios cientos de kilómetros a lo sumo, y su tasa de generación de clave secreta también es bastante limitada. Por otro lado, pese a que a menudo se dice que la seguridad incondicional de los SCDC emana de las leyes de la Mecánica Cuántica, la verdad es que la Mecánica Cuántica por sí sola no basta. En efecto, hacen falta suposiciones adicionales sobre los dispositivos para establecer matemáticamente la seguridad de los SCDC. Desafortunadamente, estas especificaciones teóricas a menudo no se ven satisfechas por los dispositivos reales, abriendo así una serie de “loopholes” de seguridad que pueden ser explotados por un adversario para hackear los sistemas.

La presente tesis selecciona y aborda varios problemas relacionados con las prestaciones de los SCDC, y especialmente con su seguridad práctica. La lista incluye un análisis de las correlaciones de intensidad entre pulsos (un problema que afecta a los SCDC basados en el método de los estados señuelo), una evaluación realista de las prestaciones de los SCDC “independientes de los dispositivos”, y una solución teórica para garantizar la seguridad de los SCDC en presencia de equipos corruptos, basada en el uso de dispositivos redundantes y “secret sharing”. Además, este último trabajo viene acompañado de un experimento que demuestra la viabilidad del protocolo teórico que se propone.

En conjunto, el objetivo de la tesis es contribuir de forma relevante a reconciliar la teoría y la práctica de los SCDC, sin duda un reto primordial en el contexto de las comunicaciones cuánticas.

Achegue varias preguntas e desafíos relacionados coa seguridade e o rendemento de protocolos coñecidos de distribución cuántica de chaves.