Dokument: Multipartite cryptographic protocols for quantum networks

Titel:	Multipartite cryptographic protocols for quantum networks
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=64447
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20231220-094551-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Carrara, Giacomo [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,06 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.12.2023 / geändert 18.12.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Bruß, Dagmar [Gutachter] Dr. Kampermann, Hermann [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Unter den vielen Anwendungen von Quanteninformationsprozessen gehört die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, kurz QKD) sowohl aus theoretischer Sicht als auch aus praktischer Sicht zu den ausgereiftesten. QKD erlaubt es zwei Parteien, die für gewöhnlich als Alice und Bob bezeichnet werden, geheim eine gemeinsame Bitfolge zu erstellen, einen sogenannten Schlüssel, welchen sie dann für eine sichere Kommunikation verwenden können. In einem QKD Protokoll werden die fundamentalen Eigenschaften der Quantenmechanik genutzt, die die Sicherheit der Kommunikation vor möglichen Angriffen einer dritten Partei, genannt Eve, gewährleistet, selbst wenn Eve alle Möglichkeiten zur Verfügung stünden. Diese Arbeit widmet sich der Erweiterung der Theorie über grundlegende und praktische Anwendungen der Quantenkryptografie. Mit der Perspektive auf den Aufbau echter Quantennetze in der Zukunft, setzten wir den Schwerpunkt insbesondere auf die Erweiterung von QKD auf mehrere Benutzer, die sogenannte Conference Key Agreement (kurz CKA). CKA erlaubt es einer beliebigen Anzahl an Parteien unter der Verwendung einer geteilten Quantumressource einen gemeinsamen sicheren Schlüssel zu konstruieren, der für eine sicher gemeinsame Kommunikation genutzt werden kann. Unter den verschiedenen CKA-Protokollen erfordern die relevantesten die stärkste Form der Verschränkung, genannt Genuine Multipartite Entanglement (kurz GME). Nachdem wir einen theoretischen Hintergrund eingeführt haben, versuchen wir diese starken Verschränkungsbedingungen zu lockern und weniger stark verschränkte Zustände zu konstruieren, die erfolgreich in CKA-Protokollen verwendet werden können. Des Weiteren zeigen wir eine Relation zwischen CKA und der Theorie der Verschränkungszeugen. Anschließend werden wir die praktische Anwendung von CKA diskutieren. Wir beginnen dabei mit einem Zwei-Parteien-Protokoll, der sogenannten Twin-Field QKD (kurz TF-QKD), welche gegenüber herkömmlichen QKD-Protokollen zwei große Vorteile hat: Zu einem eignet es sich gut für Kommunikation über große Entfernungen und zum anderen werden für die Implementierung nur einfache optische Geräte benötigt. Wir stellen ein neues CKA-Protokoll vor, das die genannten Eigenschaften beinhaltet. Zum Schluss befassen wir uns noch mit dem ungünstigsten Szenario, dem Device Independent (DI) Szenario, indem die Geräte aller Parteien nicht sicher sind und von Eve manipuliert werden können. In solch einem Szenario analysieren wir, wie eine bestimmte Aufgabe, nämlich die Device Independen Randomness Expansion (kurz DIRE), welche gleichzeitig auch als Vorstufe zur QKD gesehen werden kann, unter der Verwendung von nicht optimalen Ressourcen gelöst werden kann. Insbesondere zeigen wir, wie die Parteien in einem Szenario mit mehreren Parteien unter der Verwendung von fast separablen Zuständen einheitlich Zufälligkeit (uniform randomness) sicherstellen können. Unsere Arbeit stellt einen wichtigen Schritt in Richtung realistischer und praktischer Anwendung von Quantenkryptografie mit reduzierten Bedingungen der Ressourcen, die den Weg für Implementierungen in naher Zukunft ebnet. Among the many applications of quantum information processes, one of the most mature both from a theoretical and practical point of view is undoubtedly Quantum Key Distribution (QKD). QKD allows two parties, commonly referred to as Alice and Bob, to establish a secret, shared string of bits, called key, which they can use for secure communication. In a QKD protocol the parties exploit the unique features of quantum mechanical systems to guarantee security against possible attacks of a third malicious party, called Eve, even when Eve is given unlimited power. This thesis is devoted to expanding the theoretical knowledge about fundamental and practical applications of quantum cryptography. In particular, with the perspective of building true quantum networks in the future, we focus on the extension of QKD to many users, namely Conference Key Agreement (CKA). CKA allows, by exploiting a shared quantum resource, an arbitrary number of parties to establish a common secret key used for secure shared communication. Among the different CKA protocols, the most relevant of them require the strongest form of entanglement, called Genuine Multipartite Entanglement (GME). After a theoretical background, we try to relax these strong entanglement requirements and design more weakly entangled multipartite states that can be employed successfully in CKA protocols. Furthermore, we highlight an insightful connection between CKA and the theory of entanglement witnesses. Then, we focus on a more practical application of CKA. We start from a bipartite protocol, namely Twin-Field QKD (TF-QKD), which has two major advantages over usual QKD protocols: it is well suited for long-distance communication and it requires only simple optical devices to be implemented. Our effort is then put into designing a novel CKA protocol that retains the same desirable properties. Finally, we dive in the most adversarial scenario, namely the Device-Independent (DI) scenario, where all the parties’ devices are untrusted and can be under Eve’s control. In this scenario, we analyze how a task, which can be considered as a primitive to QKD, namely DI randomness expansion (DIRE), can be tackled with less-than-optimal resources. In particular we show how the parties can certify uniform randomness in the multipartite scenario using almost separable states. Our works represent a significant step towards realistic, practical implementations of quantum cryptographic protocols with reduced resource requirements, paving the way for near-term implementations of quantum cryptographic tasks.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	20.12.2023
Dateien geändert am:	20.12.2023
Promotionsantrag am:	24.10.2023
Datum der Promotion:	13.12.2023