양자 코인 플립

양자 코인 플립은 양자역학의 원리를 이용하여 안전한 통신을 위해 메시지를 암호화한다.퀀텀코인 플립은 다른 형태의 양자암호법과 달리 서로를 신뢰하지 않는 두 사용자 사이에 사용되는 프로토콜이다.^[1]이 때문에 사용자(또는 선수) 모두 동전 던지기에서 이기고 싶어하며 다양한 방법으로 부정행위를 시도하게 된다.^[1]

양자 코인 플립과 다른 형태의 양자암호화는 큐빗의 전송을 통해 정보를 전달한다.수락하는 플레이어는 측정을 수행할 때까지 쿼빗의 정보를 알지 못한다.^[2]각 쿼빗에 대한 정보는 단일 광자에 저장되고 운반된다.^[3]수신 플레이어가 광자를 측정하면 광자는 변경되며, 다시 측정하면 동일한 출력을 생성하지 않는다.^[3]광자는 한 번만 같은 방법으로 읽을 수 있기 때문에, 메시지를 가로채려는 다른 당사자는 쉽게 감지할 수 있다.^[3]

양자 코인 플리핑은 이론상으로는 안전한 의사소통 수단이지만 성과는 어렵다.^[1][3]

역사

Manuel Blum은 1983년 계산 알고리즘과 가정을 바탕으로 코인 플립을 클래식 시스템의 일부로 도입했다.^[4]블럼의 코인 플리핑 버전은 다음과 같은 암호문제의 해답을 준다.

앨리스와 밥은 최근에 이혼했고, 두 개의 다른 도시에 살고 있으며, 누가 차를 보관할 것인지를 결정하기를 원한다.결정하기 위해, 앨리스는 전화기에 동전을 던지길 원한다.하지만, 밥은 그가 앨리스에게 헤딩에게 말한다면, 그녀가 동전을 던져 그가 졌다고 자동적으로 말할 것이라고 걱정한다.^[2]

따라서 앨리스와 밥의 문제는 서로를 신뢰하지 않는다는 것이다. 그들이 가진 유일한 자원은 전화 통신 채널이며, 동전을 읽을 수 있는 제3자가 없다.그러므로 앨리스와 밥은 진실하고 가치관에 동의하거나 상대방이 바람을 피우고 있다고 확신해야 한다.^[2]

1984년 찰스 H. 베넷과 자일스 브래서드가 쓴 논문에서 양자암호법이 나왔다.이 논문에서 두 사람은 코인 플립과 같은 이전의 암호 프로토콜을 강화하기 위해 양자역학을 사용하는 아이디어를 소개했다.^[1]이후 많은 연구자들이 기존 암호법보다 이론적으로 더 안전하다는 것이 입증돼 암호학에 양자역학을 적용했지만, 이러한 프로토콜을 실제 시스템에서 입증하는 것은 쉽지 않다.

2014년 출간된 프랑스 파리 LTCI(Local for Communication and Processing of Information)의 과학자 그룹은 양자 코인 플립 프로토콜을 실험적으로 구현했다.^[1]연구원들은 이 프로토콜이 수도권 광통신망에 적합한 거리에 걸쳐서 고전적인 시스템보다 더 잘 작동한다고 보고했다.^[1]

코인 플립 프로토콜

양자 코인 플립은 두 선수 모두 코인 토스에서 이기고 싶어 서로 신뢰하지 않는 두 선수 사이에 랜덤 퀘빗이 생성되는 것으로, 다양한 방식으로 부정행위를 할 수 있다.^[1]코인 플립의 본질은 두 플레이어가 통신 채널을 통해 일련의 지시를 내릴 때 발생하며, 그 결과 결국 출력이 발생한다.^[3]

기본적인 양자 동전 던지기 프로토콜은 두 사람을 포함한다.앨리스와 밥.^[4]

1. 앨리스는 ${\displaystyle {\alpha {}_{}}_{}}$ ${\displaystyle {i_{}}_{}}$ ${\displaystyle {{}_{}{}_{}}_{}}$ ${\displaystyle {i_{}}_{}}$ ${\displaystyle {{}_{}}_{}}$ ${\displaystyle \phi _{\alpha _{i}c_${i$}}\rangele}}}$양자 상태로 정해진 수의 bit 광자 펄스를 밥에게 보낸다$.$ 이러한 광자 펄스는 각각 기본 α와_i 비트 c의_i 앨리스의 임의 선택에 따라 독립적으로 준비된다.
2. 그런 다음 밥은 무작위 기준 β를_i 식별하여 앨리스로부터의 펄스를 측정한다.밥은 이 광자들을 기록한 다음, 첫 번째 성공적으로 측정된 광자 j를 무작위 비트 b와 함께 앨리스에게 보고한다.
3. 앨리스는 밥이 준 기초에서 사용했던 기초와 물음을 드러낸다.만약 두 베이스와 비트가 일치한다면, 양 당사자는 진실하고 정보를 교환할 수 있다.밥이 보고한 부분이 앨리스의 그것과 다르다면, 하나는 진실하지 않은 것이다.

위의 프로토콜에 대한 보다 일반적인 설명은 다음과 같다.^[5]

1. 앨리스는 먼저 임의의 기준(대각선 등)과 일련의 임의의 쿼트를 선택한다.그런 다음 앨리스는 자신이 선택한 큐빗을 선택한 기준을 따르는 광자의 시퀀스로 인코딩한다.그리고 나서 그녀는 이 큐빗들을 편광 광자 열차로 통신 채널을 통해 밥에게 보낸다.
2. 밥은 각각의 개별 광자에 대해 랜덤하게 일련의 판독 베이스를 선택한다.그리고 나서 그는 광자를 읽고 그 결과를 두 개의 표에 기록한다.한 테이블은 직선으로(수평 또는 수직) 수신된 광자와 대각선으로 수신된 광자 중 하나이다.밥은 감지기나 전송 채널의 손실로 인해 테이블에 구멍이 생길 수 있다.밥은 이 표를 바탕으로 앨리스가 어떤 근거로 자신의 추측을 사용했는지를 추측하고 앨리스에게 자신의 추측을 발표한다.맞히면 이기고 안 맞으면 진다.
3. 앨리스는 밥에게 어떤 근거를 사용했는지를 발표함으로써 그가 이기든 아니든 보고한다.그런 다음 앨리스는 밥에게 1단계에서 사용했던 원래의 Qubit 시퀀스 전체를 보내 정보를 확인한다.
4. 밥은 앨리스의 순서를 그의 테이블과 비교해서 앨리스 쪽에서 어떤 부정행위도 일어나지 않았음을 확인한다.표는 앨리스의 기초와 일치해야 하며 다른 표와 상관관계가 없어야 한다.

가정

이 프로토콜이 제대로 작동하려면 몇 가지 가정을 해야 한다.첫번째는 앨리스가 밥으로부터 독립적으로 그리고 동일한 확률로 각 주를 만들 수 있다는 것이다.둘째, 밥이 성공적으로 측정하는 첫 번째 비트의 경우, 그의 기본과 비트는 모두 무작위적이며 앨리스와는 완전히 독립적이다.마지막 가정은 밥이 상태를 측정할 때 각 상태를 측정할 확률이 균일하며, 어떤 상태도 다른 상태보다 감지하기 쉽다는 것이다.이 마지막 가정은 특히 중요하다. 왜냐하면 앨리스가 특정 상태를 측정할 수 없다는 것을 알고 있었다면 앨리스가 그것을 자신에게 유리하게 사용할 수 있었기 때문이다.^[4]

부정행위

동전 던지기의 핵심 쟁점은 그것이 불신하는 두 당사자 사이에서 일어난다는 것이다.^[5]이 두 정당은 서로 어느 정도 거리를 두고 통신채널을 통해 소통하고 있으며 각각 50%의 승산이 있는 승자와 패자를 합의해야 한다.^[5]하지만 서로 불신하는 사이여서 부정행위가 일어날 가능성이 높다.부정행위는 결과가 마음에 들지 않을 때 메시지 일부를 잃어버렸다고 주장하거나 각 펄스에 포함된 광자의 평균 수를 늘리는 등 여러 가지 방법으로 발생할 수 있다.^[1]

밥이 바람을 피우기 위해서는 ½보다 더 큰 확률로 앨리스의 근거를 추측할 수 있어야 할 것이다.^[5]이를 위해 밥은 다른 기준으로 편광된 광자열차에서 임의로 편광된 광자열차를 결정할 수 있어야 할 것이다.^[5]

반면 앨리스는 두어 가지 다른 방법으로 부정행위를 할 수 있었지만 밥은 쉽게 감지할 수 있었기 때문에 조심해야 한다.^[5]밥이 앨리스에게 정확한 추측을 보낼 때, 그녀는 그녀의 광자가 실제로 밥의 정확한 추측과는 정반대로 양극화되어 있다는 것을 밥에게 납득시킬 수 있었다.^[5]앨리스는 또한 밥에게 그녀가 실제로 밥을 이기기 위해 사용한 것과 다른 원래의 순서를 보낼 수 있었다.^[5]

타사 탐지

단일 광자는 한 플레이어에서 다른 플레이어(쿼트)로 정보를 전달하는 데 사용된다.^[3]이 프로토콜에서 정보는 비직교 양자 상태인 0, 45, 90, 135도의 양극화 방향을 가진 단일 광자로 암호화된다.^[5]제3자가 송신에 관한 정보를 읽거나 얻으려 할 때, 두 합법적인 사용자 간에 주고받는 패턴과 일치하지 않기 때문에 두 플레이어가 검출할 가능성이 있는 임의의 방법으로 광자의 양극화를 변화시킨다.^[5]

실행

실험적인

역사 섹션에서 언급했듯이, 파리 LTCI의 과학자들은 양자 동전 던지기 프로토콜을 실험적으로 수행했다.이전의 프로토콜은 단일 광자 소스 또는 얽힌 소스의 보안을 요구했다.하지만 양자 코인 플리핑이 시행되기 어려운 이유다.대신에, LTCI의 연구원들은 단일 광자 선원이 아닌 양자 중첩의 효과를 사용했는데, 그들은 이것이 표준 광자 선원으로 구현을 더 쉽게 만든다고 주장한다.^[1]

연구진은 이드콴티크가 개발한 클라비스2 플랫폼을 프로토콜에 사용했지만, 클라비스2 시스템이 코인 플리핑 프로토콜에 효과가 있으려면 이를 수정해야 했다.그들이 Clavis2 시스템과 함께 사용한 실험 설정은 양방향 접근법을 포함한다.1550 나노미터에서 펄스가 나는 빛은 밥에서 앨리스로 보내진다.앨리스는 위상 변조기를 사용하여 정보를 암호화한다.암호화 후, 그녀는 패러데이 미러를 사용하여 자신이 선택한 레벨의 펄스를 반사하고 감쇠시켜 밥에게 다시 보낸다.두 개의 고품질 단일 광자 검출기를 사용하여 밥은 위상 변조기에서 측정 기준을 선택하여 앨리스의 펄스를 검출한다.^[4]

그들은 이전 검출기의 검출 효율성이 낮기 때문에 밥측 검출기를 교체했다.검출기를 교체했을 때 15km(9.3mi) 이상 채널에서 양자 우위를 보일 수 있었다.광자 소스 감쇠가 높았기 때문에 이 그룹이 직면했던 몇 가지 다른 도전은 시스템을 재프로그래밍하고 시스템 구성 요소의 손실과 오류를 식별하기 위한 시스템 분석을 수행하는 것이었다.이러한 수정으로, 과학자들은 두 명의 정직한 참가자가 프로토콜 끝에서 동전 던지기를 얻을 수 없는 확률인 작은 정직한 중단 가능성을 도입하여 동전 던지기 프로토콜을 실행할 수 있었다.^[1]

고전적 비유

클래식 코인 플립

2012년 미국의 한 물리학자는 모든 고전적 확률을 양자 확률로 붕괴시킬 수 있다고 주장했다.그들은 미세한 척도의 유체 상호작용은 미세한 양자 변동을 증폭시킬 수 있고, 이는 거시적인 척도로 전파될 수 있다고 결론지었다.^[6]본질적으로, 확률적으로 단순해 보이는 것(예: 동전 던지기)은 실제로 거의 기하급수적으로 증가하는 불확실성의 수준을 가진 일련의 과정에 의존한다.그래서 어떤 사람이 동전을 던질 때마다 그들은 어느 정도 능력에서는 그 동전이 머리와 꼬리 둘 다 동시에 고려될 수 있는 슈뢰딩거의 고양이 실험을 수행하게 된다.

참조