Lightweight Authentication for Quantum Key Distribution

量子密钥分配 计算机科学 量子密码学 钥匙(锁) 认证(法律) 计算机网络 计算机安全 量子 量子信息 物理 量子力学
作者
Evgeniy O. Kiktenko,Aleksei Malyshev,Maxim A. Gavreev,Anton A. Bozhedarov,N. O. Pozhar,M. N. Anufriev,Aleksey K. Fedorov
出处
期刊:IEEE Transactions on Information Theory [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:66 (10): 6354-6368 被引量:8
标识
DOI:10.1109/tit.2020.2989459
摘要

Quantum key distribution (QKD) enables unconditionally secure communication between distinct parties using a quantum channel and an authentic public channel. Reducing the portion of quantum-generated secret keys, that is consumed during the authentication procedure, is of significant importance for improving the performance of QKD systems. In the present work, we develop a lightweight authentication protocol for QKD based on a `ping-pong' scheme of authenticity check for QKD. An important feature of this scheme is that the only one authentication tag is generated and transmitted during each of the QKD post-processing rounds. For the tag generation purpose, we design an unconditionally secure procedure based on the concept of key recycling. The procedure is based on the combination of almost universal 2 polynomial hashing, XOR universal 2 Toeplitz hashing, and one-time pad (OTP) encryption. We demonstrate how to minimize both the length of the recycled key and the size of the authentication key, that is required for OTP encryption. As a result, in real case scenarios, the portion of quantum-generated secret keys that is consumed for the authentication purposes is below 1%. Finally, we provide a security analysis of the full quantum key growing process in the framework of universally composable security.

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