A Quantum-Proof Non-Malleable Extractor, With Application to Privacy Amplification against Active Quantum Adversaries
在隐私放大中,两个相互信任的方旨在通过在不安全的通信信道上交换消息来放大初始共享秘密$X$的秘密,以便建立共享私钥$K$。如果通道经过身份验证,则可以使用强随机性提取器在单轮通信中解决任务;选择量子证明提取器可以建立针对量子对手的安全性。在信道未被认证的情况下,Dodis和Wichs(STOC'09)表明,可以使用不可延展的提取器(比强提取器更强的伪随机构造)在两轮通信中解决该问题。我们给出了第一个非延展提取器的构造,该提取器对量子对手是安全的。该提取器基于Li(FOCS'12)的构造,能够从最小熵率大于$1/2$的源中提取。将这种构造与Cohen和Vidick(未发表)所示的Dodis和Wichs简化的量子证明变体相结合,我们获得了第一个针对主动量子对手的隐私放大协议。
2018-02-14 cs.CR quant-ph
Multi-Source Randomness Extractors Against Quantum Side Information, and their Applications
研究了在量子环境下构造多源抽取器的问题,该抽取器可以从多个初始独立的经典随机源中抽取几乎均匀的随机比特.这是种子随机性提取对量子边信息和经典独立源提取的自然推广。随着新的挑战,例如边信息中的潜在纠缠,量子多源提取器在什么条件下存在并不是一个先验清楚的;唯一的先前工作是[KK 12],其中[CG 88]和[DEOR 04]的经典内积两源提取器在受限独立附着(IA)模型和纠缠有界存储(BS)模型中被证明是量子安全的。在本文中,我们提出了一个新的模型称为广义纠缠(GE)粘附模型,它允许在边信息的任意纠缠和包容IA模型和BS模型。我们继续展示如何构建GE安全的量子多源提取器。为此,我们提出了另一种称为单侧粘附(OA)模型的模型,该模型比上述所有模型都弱。令人惊讶的是,我们建立强OA安全和强GE安全之间的等价性。因此,所有经典的多源提取器可以直接工作,或被修改为在GE模型中工作,代价是一个额外的随机源。因此,我们的构造基本上与经典多源提取器的最佳已知构造相匹配。我们也将我们的技术应用于密码学和分布式计算中的两个重要问题-隐私放大和网络抽取器。我们证明,只要源在我们的GE模型中具有一定量的条件最小熵(即使有纠缠的量子边信息),我们就可以设计非常有效的隐私放大协议和网络提取器。
2014-11-10 cs.CC quant-ph
Exponential Advantage of Multipartite Entanglement over Quantum Communication with Applications to Bounded-Storage Cryptography
S. N. Bose National Centre for Basic Sciences(S.N. 玻色基础科学国家中心);QuSoft, CWI and University of Amsterdam(QuSoft、CWI和阿姆斯特丹大学)
该研究确立了多体纠缠相较无预共享纠缠的量子通信的指数优势,构造了双源随机数提取器,在受限存储密码学中实现了纠缠与无纠缠量子侧信息的指数分离。
2026-07-31 quant-ph
Privacy Amplification Against Active Quantum Adversaries
隐私放大是两个合作方将共享的弱秘密(窃听者可能有关于该弱秘密的边信息)转换为与窃听者不相关的均匀随机字符串的任务。针对被动对手的隐私放大,假设通信是在一个公共但经过认证的信道上,可以通过基于强提取器的单消息协议在经典和量子侧信息的存在下实现。2009年,Dodis和Wichs设计了一个双消息协议,通过使用他们引入的强提取器(称为不可延展提取器)来实现对活跃对手的隐私放大,其中公共通信信道不再被假设为经过认证。Dodis和Wichs只分析了经典边信息的情况。我们考虑的任务,隐私放大对积极的对手与量子边信息。我们的主要结果表明,Dodis-Wichs协议仍然是安全的,在这种情况下,其主要的构建块,不可延展的提取器,满足量子证明不可延展性的概念,我们介绍。我们表明,由于Chattopadhyay等人最近构建的不可延展提取器的适应是量子证明,从而提供了第一个针对主动量子对手的隐私放大协议。我们的协议在数量上与经典环境中已知的接近最佳的协议相当。
2017-09-03 cs.CC cs.CR quant-ph
Seedless extractors for device-independent quantum cryptography
本文提出一种设备无关量子密码学中无需种子且可抵抗无界量子对手的随机性提取方法,以贝尔违背替代最小熵作为提取承诺,并给出完整安全性证明。
2025-02-27 quant-ph
Stream randomness extraction against quantum side information
Future Research Lab, China Mobile Research Institute(中国移动研究院未来研究实验室);Department of Physics, Renmin University of China(中国人民大学物理系);QICI Quantum Information and Computation Initiative, Department of Computer Science, The University of Hong Kong(香港大学计算机科学系量子信息与计算倡议)
本文提出基于几乎双随机哈希的流处理随机提取器,通过预处理生成伪随机掩码,实现实时随机数生成,提升量子加密系统的效率。
2026-06-05 quant-ph
Real-Time Seedless Post-Processing for Quantum Random Number Generators
本文提出一种实时无种子双源量子随机性提取器,针对新定义的前向块源,可从两个无限长独立源中提取恒定比例最小熵,并在常用量子随机数发生器上实现64 Gbps模拟提取速度。
2024-01-29 quant-ph
Simple Protocols for Oblivious Transfer and Secure Identification in the Noisy-Quantum-Storage Model
我们提出了简单的协议,用于不经意传输和基于密码的识别,这些协议在[KWW09]中定义的噪声量子存储模型中对一般攻击是安全的。我们认为,[KWW09]的技术工具足以证明已知协议的安全性。虽然[KWW09]中用于不经意传输的更复杂的协议需要更少的存储噪声来实现安全性,但我们的“规范”协议具有更易于实现和更容易控制安全错误的优点。因此,我们的协议产生更高的OT率为许多现实的噪声参数。此外,第一个安全性证明的直接协议的基于密码的身份识别对一般的噪声量子存储攻击。
2010-03-30 quant-ph
Quantum Measurement Adversary
本文提出量子测量敌手 qm-adv 与量子通信敌手 qc-adv,统一现有量子多源敌手模型,并证明内积提取器、抗量子 non-malleable-extractor 及弱源隐私放大协议的安全性。
2023-06-06 cs.CR quant-ph
Physical Randomness Extractors: Generating Random Numbers with Minimal Assumptions
如何用最少的假设产生可证明的真实随机性?这个问题不仅对信息处理的效率和安全性很重要,而且对理解自然界中极端不可预测的事件是如何发生的也很重要。所有现有的解决方案都要求初始随机源具有特殊的结构,或者两个或多个随机源之间具有一定的独立关系。这两种假设都不可能在实践中得到检验和保证。在这里,我们将展示如何通过提取器来规避这一基本限制,这些提取器将安全性建立在物理定律的有效性基础上,并从不可信的量子设备中提取随机性。结合Miller和Shi最近的工作(arXiv:1402:0489),我们的物理随机性提取器仅使用单个和一般的弱源,产生任意长且接近均匀的输出,具有接近最优的误差,可以抵御强大的量子对手,并容忍恒定的实现不精确性。源必须对设备不可预测,但否则甚至可以被对手知道。我们的核心技术的贡献,等价引理,提供了一个一般原则证明组合安全的不受信任的设备协议。这意味着可以通过交叉馈送任何两个扩展协议来简单地实现无界随机性扩展。特别是,这种无界扩展可以是鲁棒的,这是第一次知道。另一个重要的含义是,它使安全的随机性生成和密钥分发使用公共随机性,如NIST的随机性信标广播。我们的协议还提供了一种方法,用于反驳本地隐藏变量理论下的一个弱假设的可用随机性选择的测量设置。
2015-05-14 quant-ph
Robustness of intra-atomic frequency comb based quantum memory against fluctuating environment
在这篇文章中,我们研究了基于原子内频率梳(I-AFC)的量子存储器对各种环境因素的鲁棒性。环境的影响被纳入随机波动的参数,如梳间距和光学深度,频率梳。我们还研究了量子存储器的质量,这是量化的光子存储的效率方面的温度的影响。我们发现,I-AFC是可行的光子存储,即使在非常大的波动的频率梳的参数。此外,温度对I-AFC的质量的影响可以忽略不计。我们的研究最终确定了I-AFC的顽固性。
2021-08-09 quant-ph
Quantum-proof multi-source randomness extractors in the Markov model
本文提出马尔可夫辅助信息模型,证明任意多源提取器在该模型下的量子辅助信息面前仍保持安全,推广了以往仅适用于受限模型和特定提取器的结论。
2016-09-09 cs.CC cs.CR quant-ph
Quantum-proof randomness extractors via operator space theory
量子验证随机性提取器是经典密码学和量子密码学以及设备无关随机性放大和扩展的重要构建块。此外,它们也是量子香农理论的一个有用工具。已知的是,一些提取器构造是量子证明的,而其他提取器构造可证明不是量子证明的[Gavinsky等人,STOC'07]。我们认为,算子空间的理论提供了一个自然的框架,研究在何种程度上提取器是安全的对量子对手:我们首先短语提取器的定义作为赋范空间之间的有界范数条件,然后表明,量子对手的存在对应于一个完全有界范数条件之间的算子空间。由此,我们表明,非常高的最小熵提取器以及提取器与小输出总是(近似)量子证明。我们还研究了一个泛化的提取器称为随机性冷凝器。我们把凝聚子的定义称为有界范数条件,把量子安全凝聚子的定义称为完全有界范数条件。将凝聚器看作二部图,我们发现有界范数条件对应于一个研究得很好的组合问题的实例,称为二部分解子图。此外,利用算子空间的特征,我们可以将任何冷凝器关联到贝尔不等式(两人博弈),使得经典和量子策略与冷凝器上的经典和量子攻击一一对应。因此,我们得到每个量子证明的冷凝器(其中特别包括量子证明的提取器)的贝尔不等式,不能违反量子力学。
2017-05-04 math-ph math.MP quant-ph
Privacy Amplification Against Quantum Side Information Via Regular Random Binning
本文利用正则随机分箱研究抗量子边信息的隐私放大,得到基于量子Augustin信息的误差指数与强逆界,并恢复独立同分布信源误差指数,同时给出经典-量子窃听信道编码的可达保密指数,解决了相关开放问题。
2023-09-20 quant-ph
Quantum secure non-malleable-extractors
该研究基于已有构造方案提出多种量子安全不可伪造提取器,在低最小熵、2信源及多轮篡改场景下实现突破,并据此得到通信复杂度指数级降低的2轮抗主动量子敌手隐私放大协议。
2024-09-13 cs.CR quant-ph
Robust Quantum Entanglement Generation and Generation-plus-Storage Protocols with Spin Chains
模块之间可靠的量子通信/处理链路是各种量子处理架构的必要构建块。在这里,我们考虑一个自旋链系统与交替强度耦合,并包含三个缺陷,施加三个域壁之间的拓扑结构不同的区域链。我们表明,-除了其有用的,高保真度,量子态传输特性-纠缠协议可以在这个系统中实现,可选的本地化和存储的纠缠态。我们证明了数值和分析,给定一个合适的初始产品状态注入,系统的自然动力学在给定的时间产生一个最大的纠缠态。我们提出了详细的调查制造误差的影响,分析随机静态无序的对角和非对角项的系统哈密顿量。我们的研究结果表明,纠缠态的形成是非常强大的扰动高达$\sim10\%$较弱的链耦合,也强大的定时注入错误。我们提出了一个进一步的协议,操纵链,以本地化和存储每个纠缠量子位。因此,具有这种特性的系统的工程设计将为涉及纠缠资源的创建和存储的量子信息处理任务提供有用的设备。
2017-05-31 quant-ph
Exponential separations for one-way quantum communication complexity, with applications to cryptography
我们给出了一个部分布尔函数的单向量子和经典通信协议之间的指数分离(布尔隐藏匹配问题的Bar-Yossef等人的变种)。在此之前,这种指数分离只适用于关系型问题。通信问题对应于针对关于其随机源的少量\emph{quantum}信息而失败的\emph{strong extractor}。我们的证明使用Kahn,Kalai和Linial的傅立叶系数不等式。我们也给出了这种分离的一些应用。特别是,我们表明,有隐私放大计划,是安全的对经典的对手,但不是对量子对手,我们给出了第一个例子的密钥扩展方案的模型中的有界存储密码是安全的对经典的内存有界的对手,但不是对量子的。
2008-02-13 quant-ph
Heralded Storage of a Photonic Quantum Bit in a Single Atom
结合腔量子电动力学、量子测量和量子反馈技术,我们实现了光子到单个原子的偏振量子比特的转移,效率为39%,保真度为86%。相反的过程,即量子比特从原子转移到给定的光子上,被证明具有88%的保真度和高达69%的估计效率。与以前基于双光子干涉的工作相比,我们的方案对光子到达时间抖动具有鲁棒性,并且实现了更高的效率。因此,它是实现长距离量子网络的关键一步。
2015-06-02 quant-ph
Powerful Primitives in the Bounded Quantum Storage Model
Université de Montréal(蒙特利尔大学)
本文在有界量子存储模型中提出信息论安全的强大原语构造,包括CCA1安全的对称与非对称加密、签名及一次性程序等,并满足消失安全性,以抵御仅受量子内存限制的无界计算对手。
2026-09-20 cs.CR quant-ph
A modular framework for randomness extraction based on Trevisan's construction
非正式地,提取器从可能远离均匀分布的源提供完美的随机性,但包含一些随机性。这个任务是任何试图产生完美的随机数的关键因素-例如,密码协议、数值模拟或随机计算所需要的。Trevisan的提取器引起了相当大的理论兴趣,不仅因为与其他构造相比,它的数据简约,而且特别是因为它对量子对手是安全的,使其适用于量子密钥分发。我们讨论了一个模块化的,可扩展的和高性能的实现的建设的基础上,可以灵活地组合,以满足各种场景的要求。除了定量地分析了许多组合在实际环境中的性质外,我们改进了以前的理论证明,并给出了非渐近情况下的明确结果。自包含的描述并不假设熟悉提取器。
2012-12-03 cs.IT cs.MS math.IT
Unconditional security from noisy quantum storage
我们认为,基于唯一的假设,没有大规模的可靠的量子存储是可用于欺骗方的两方密码原语的实现。我们构造新的协议不经意传输和比特承诺,并证明了现实的噪声水平提供安全性,即使对最一般的攻击。这种无条件的结果以前只知道在所谓的有界存储模型,这是一个特殊的情况下,我们的设置。我们的协议可以用当今用于量子密钥分发的硬件来实现。特别是,诚实的一方不需要量子存储。
2011-09-08 cs.CR quant-ph
Cryptography in the Bounded-Quantum-Storage Model
本论文是在有界量子存储模型下对密码协议的研究。在实用方面,给出了Rabin不经意传输、1-2不经意传输和比特提交的简单协议。诚实的玩家不需要量子内存,而协议只能被控制大量量子内存的对手打破。协议是高效的,非交互式的,可以用今天的技术来实现。在理论方面,根据新的强安全性定义,建立了新的包含最小熵的熵不确定性关系,并用于证明协议的安全性。例如,在针对量子存储器有界窃听者的量子密钥分发(QKD)的现实设置中,不确定性关系允许证明QKD协议的安全性,同时与具有无界对手的标准模型相比容忍相当高的错误率。
2007-09-03 cs.CR quant-ph
High fidelity transfer and storage of photon states in a single nuclear spin
构建用于长距离量子通信的量子中继器网络需要光子和量子寄存器,所述量子寄存器包括用于与光相互作用的量子位、良好的存储能力和用于存储和操纵光子的处理量子位。在这里,我们展示了一个关键步骤,光子在单个固态核自旋量子比特中的相干传输,平均保真度为98%,存储时间超过10秒。存储过程是通过将光子相干转移到金刚石中氮空位中心的纠缠电子核自旋态来实现的,通过高保真度单次读出电子自旋态来证实。存储的光子状态对重复的光学写入操作是鲁棒的,这是中继器节点所需的。这里展示的光子-电子自旋界面和核自旋存储器构成了迈向实用量子网络的重要一步,并且令人惊讶地也为光子量子计算的新型纠缠光子源铺平了道路。
2016-01-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Storage and retrieval of optical skyrmions with topological characteristics
Xi’an Jiaotong University(西安交通大学);Huzhou University(湖州学院);Hiroshima University(广岛大学)
研究通过双路径电磁诱导透明记忆在冷 rubidium 氓中存储和检索光学Skyrmion,证明其拓扑数在存储时间达数微秒时保持不变,为拓扑保护光子技术奠定基础。
2025-12-23 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Single-photon-level light storage in cold atoms using the Autler-Townes splitting protocol
实现光子量子态长寿命存储的宽带自旋光子界面是量子信息技术的关键。然而,由于由强电磁场控制的存储和调用过程中的技术和/或基本限制引起的光子噪声,这种存储器在量子机制中的可靠操作是具有挑战性的。在这里,我们实验实现了单光子级的自旋波存储器在激光冷却的铷气体,最近提出的Autler-Townes分裂(ATS)协议的基础上。我们展示了存储20 ns长的激光脉冲,每个包含平均0.1个光子,为200 ns的效率为$12.5\%$和信噪比超过30。值得注意的是,ATS自旋波存储器对运动失相的鲁棒性允许对控制场噪声进行全空间滤波,产生$3.3\times10^{-4}$的超低无条件噪声概率,而没有频谱滤波的复杂性。这些结果强调了超冷原子中的宽带ATS存储器是存储量子光的一个卓越选择。
2019-05-14 physics.app-ph physics.atom-ph physics.optics