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Title: Distribuição quântica de chaves com modulação não gaussiana: protocolos, desempenho e segurança.
Other Titles: Quantum key distribution with non-Gaussian modulation: Protocols, Performance, and Security.
???metadata.dc.creator???: DIAS, Micael Andrade.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: ASSIS, Francisco Marcos de.
???metadata.dc.contributor.referee1???: FREIRE, Raimundo Carlos Silvério.
???metadata.dc.contributor.referee2???: SILVA, Edson Porto da.
???metadata.dc.contributor.referee3???: UCHÔA FILHO, Bartolomeu Ferreira.
???metadata.dc.contributor.referee4???: MATEUS, Paulo Alexandre Carreira.
Keywords: Distribuição Quântica de Chave Secreta;Modulação Discreta;Convergência de Operadores;Teoria da Informação Quântica;Quantum Key Distribution;Discrete Modulation;Operator Convergence;Quantum Information Theory
Issue Date: 3-Aug-2023
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: DIAS, Micael Andrade. Distribuição quântica de chaves com modulação não gaussiana: protocolos, desempenho e segurança. 2023. 198 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Ciências e Tecnologia, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2023.
???metadata.dc.description.resumo???: Os protocolos de distribuição quântica de chave secreta (QKD) possibilitam que duas partes geograőcamente distantes possam compartilhar e gerar sequências aleatórias e incondicionalmente seguras, uma tarefa para a qual não há contrapartida clássica e é possível pelas leis da mecânica quântica. Nas últimas décadas, tem sido de interesse o desenvolvimento e estudo dos protocolos deőnidos pela modulação não gaussiana (discreta) de estados coerentes (DM-CVQKD), os quais são compatíveis com dispositivos e arquiteturas usuais de comunicações ópticas, permitindo o compartilhamento de chaves em redes ópticas existentes. Nesta tese de doutorado, foram analisados os efeitos resultantes do uso de esquemas ótimos de modulação discreta no desempenho e segurança de protocolos DM-CVQKD. O primeiro resultado mostrado é que, sob a hipótese de ataques coletivos gaussianos, os esquemas de modulação que atingem a capacidade do canal gaussiano nas comunicações clássicas apresentam um comportamento análogo quando aplicados em protocolos DM-CVQKD. Em particular, foi identiőcada a necessidade de formatação probabilística para que um esquema de modulação discreta tenha desempenho próximo ao da modulação gaussiana, assim como a distribuição não uniforme de pontos no plano complexo para constelações com mais de 232 pontos. Voltando a atenção para a compatibilidade entre os protocolos QKD e a arquitetura de formatação probabilística de constelação, a susceptibilidade de geração de símbolos correlacionados foi discutida e um protocolo de reconciliação foi apresentado. Também foram desenvolvidos resultados relacionando a convergência de variáveis aleatórias e a convergência dos operadores de densidade induzidos pelas variáveis aleatórias. Dessa maneira, foi mostrado que o operador densidade que representa uma constelação converge fracamente para o estado térmico se a sequência de variáveis aleatórias que representa a constelação converge em distribuição para a distribuição normal. Como consequência, a łnão gaussianidadež da constelação se aproxima de zero conforme a cardinalidade da constelação aumenta, assim como a diferença entre as taxas de chave do protocolo com modulação não gaussiana e seu equivalente gaussiano, sendo uma garantia de que o limitante inferior da taxa de chave secreta usualmente utilizado nas provas de segurança é justo se a constelação for grande o bastante. Por őm, foram apresentadas três proposições sobre a convergência (na norma do traço) das constelações de estados coerentes: um limitante para o erro de aproximação através da redução da dimensão do espaço de Hilbert (teste de energia), sobre a convergência do espectro de autovalores e autovetores, e a convergência da puriőcação da constelação de estados coerentes.
Abstract: The quantum key distribution (QKD) protocols enable two geographically distant parties to share and generate random and unconditionally secure sequences, a task for which there is no classical counterpart and is made possible by the laws of quantum mechanics. In the recent decades, there has been interest in the development and study of protocols deőned by discrete (non-Gaussian) modulation of coherent states (DM-CVQKD, Discrete Modulated Continuous-Variable QKD), which are compatible with usual optical communications devices and architectures, allowing key distribution over existing optical networks. In this doctoral thesis, the efects resulting from the use of optimal schemes of discrete modulation on the performance and security of DM-CVQKD protocols will be analyzed. The őrst result shown is that, under the assumption of Gaussian collective attacks, modulation schemes that achieve the capacity of the Gaussian channel in classical communications exhibit analogous behavior when applied in DM-CVQKD protocols. In particular, the need for probabilistic shaping was identiőed for a discrete modulation scheme to have performance close to Gaussian modulation, as well as the non-uniform distribution of points in the complex plane for constellations with more than 232 points. Shifting attention to the compatibility between QKD protocols and the probabilistic shaping architecture of the constellation, the susceptibility of generating correlated symbols was discussed, and a reconciliation protocol was presented. Results were also developed relating the convergence of random variables to the convergence of density operators induced by these random variables. It was shown that the density operator representing a constellation weakly converges to the thermal state if the sequence of random variables representing the constellation converges in distribution to the normal distribution. Consequently, the łnon-Gaussianityž of the constellation approaches zero as the cardinality of the constellation increases, as well as the diference between the key rates of the non-Gaussian modulation protocol and its Gaussian counterpart, providing assurance that the lower bound commonly used in security proofs is fair if the constellation is large enough. Finally, three propositions are presented regarding the convergence (in trace norm) of coherent state constellations: a bound for the approximation error through dimension reduction of the Hilbert space (energy test), the convergence of the spectrum of eigenvalues and eigenvectors, and the convergence of the puriőcation of the coherent state constellation.
Keywords: Distribuição Quântica de Chave Secreta
Modulação Discreta
Convergência de Operadores
Teoria da Informação Quântica
Quantum Key Distribution
Discrete Modulation
Operator Convergence
Quantum Information Theory
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Elétrica
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/32870
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