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Efficient Information Reconciliation for Quantum Key Distribution = Reconciliación eficiente de información para la distribución cuántica de claves

Jesús Martínez-Mateo

Published Jan 1, 2011• 0 citations
Publisher

Abstract

Advances in modern cryptography for secret-key agreement are driving the development of new methods and techniques in key distillation. Most of these developments, focusing on information reconciliation and privacy amplification, are for the direct benefit of quantum key distribution (QKD). In this context, information reconciliation has historically been done using heavily interactive protocols, i.e. with a high number of channel communications, such as the well-known Cascade. In this work we show how modern coding techniques can improve the performance of these methods for information reconciliation in QKD. Here, we propose the use of low-density parity-check (LDPC) codes, since they are good both in efficiency and throughput. A price to pay, a priori, using LDPC codes is that good efficiency is only attained for very long codes and in a very narrow range of error rates. This forces to use several codes in cases when the error rate varies significantly in different uses of the channel, a common situation for instance in QKD. To overcome these problems, this study examines various techniques for adapting LDPC codes, thus reducing the number of codes needed to cover the target range of error rates. These techniques are also used to improve the average efficiency of short-length LDPC codes based on a feedback coding scheme. The importance of short codes lies in the fact that they can be used for high throughput hardware implementations. In a further advancement, a protocol is proposed that avoids the a priori error rate estimation required in other approaches. This blind protocol also brings interesting implications to the finite key analysis. Los avances en la criptografía moderna para el acuerdo de clave secreta están empujando el desarrollo de nuevos métodos y técnicas para la destilación de claves. La mayoría de estos desarrollos, centrados en la reconciliación de información y la amplificación de privacidad, proporcionan un beneficio directo para la distribución cuántica de claves (QKD). En este contexto, la reconciliación de información se ha realizado históricamente por medio de protocolos altamente interativos, es decir, con un alto número de comunicaciones, tal y como ocurre con el protocolo Cascade. En este trabajo mostramos cómo las técnicas de codificación modernas pueden mejorar el rendimiento de estos métodos para la reconciliación de información en QKD. Proponemos el uso de códigos low-density parity-check (LDPC), puesto que estos son buenos tanto en eficiencia como en tasa de corrección. Un precio a pagar, a priori, utilizando códigos LDPC es que una buena eficiencia sólo se alcanza para códigos muy largos y en un rango de error limitado. Este hecho nos obliga a utilizar varios códigos en aquellos casos en los que la tasa de error varía significativamente para distintos usos del canal, una situación común por ejemplo en QKD. Para superar estos problemas, en este trabajo analizamos varias técnicas para la adaptación de códigos LDPC, y así poder reducir el número de códigos necesarios para cubrir el rango de errores deseado. Estas técnicas son también utilizadas para mejorar la eficiencia promedio de códigos LDPC cortos en un esquema de codificación con retroalimentación o realimentación (mensaje de retorno). El interés de los códigos cortos reside en el vii hecho de que estos pueden ser utilizados para implementaciones hardware de alto rendimiento. En un avance posterior, proponemos un nuevo protocolo que evita la estimación inicial de la tasa de error, requerida en otras propuestas. Este protocolo ciego también nos brinda implicaciones interesantes en el análisis de clave finita.

DOI
10.20868/upm.thesis.9717

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Information reconciliation methods in secret key distribution

David Elkouss

We consider in this thesis the problem of information reconciliation in the context of secret key distillation between two legitimate parties. In some scenarios of interest this problem can be advantageously solved with low density parity check (LDPC) codes optimized for the binary symmetric channel. In particular, we demonstrate that our method leads to a significant efficiency improvement, with respect to earlier interactive reconciliation methods. We propose a protocol based on LDPC codes that can be adapted to changes in the communication channel extending the original source. The efficiency of our protocol is only limited by the quality of the code and, while transmitting more information than needed to reconcile Alice’s and Bob’s sequences, it does not reveal any more information on the original source than an ad-hoc code would have revealed.---ABSTRACT---En esta tesis estudiamos el problema de la reconciliación de información en el contexto de la destilación de secreto entre dos partes. En algunos escenarios de interés, códigos de baja densidad de ecuaciones de paridad (LDPC) adaptados al canal binario simétrico ofrecen una buena solución al problema estudiado. Demostramos que nuestro método mejora significativamente la eficiencia de la reconciliación. Proponemos un protocolo basado en códigos LDPC que puede ser adaptado a cambios en el canal de comunicaciones mediante una extensión de la fuente original. La eficiencia de nuestro protocolo está limitada exclusivamente por el código utilizado y no revela información adicional sobre la fuente original que la que un código con la tasa de información adaptada habría revelado.

•Jan 1, 2011•1 citation

Reconciliación de errores mínimamente interactiva en distribución cuántica de claves

Jesús Martínez-Mateo, David Elkouss, Alex Ciurana Aguilar +2 more

Algunos trabajos recientes han desarrollado varias alternativas a Cascade, entre las cuales destacan aquellas basadas en el uso de técnicas de codificación modernas. Por ejemplo, a través del uso de códigos Low-Density Parity-Check (LDPC) hoy día encontramos varias propuestas que permiten mejorar la eficiencia de la reconciliación de clave para ratios de error elevados. Al utilizar códigos LDPC tan sólo se requiere un único uso del canal de comunicación. Estas propuestas se basan en una técnica conocida como “codificación de síndrome” que permite aplicar métodos de corrección de errores para reconciliar cadenas aleatorias correlacionadas. En una de estas propuestas aplicamos dos técnicas conocidas en codificación, cómo son la perforación y el acortado de símbolos, para adaptar en tiempo real el ratio de información proporcionado por el síndrome intercambiado.

•Sep 19, 2011•0 citations

Blind reconciliation

Jesús Martínez-Mateo, David Elkouss, Vicente Martín

Information reconciliation is a crucial procedure in the classical post-processing of quantum key distribution (QKD). Poor reconciliation efficiency, revealing more information than strictly needed, may compromise the maximum attainable distance, while poor performance of the algorithm limits the practical throughput in a QKD device. Historically, reconciliation has been mainly done using close to minimal information disclosure but heavily interactive procedures, like \textit{Cascade}, or using less efficient but also less interactive ---just one message is exchanged--- procedures, like the ones based in low-density parity-check (LDPC) codes. The price to pay in the LDPC case is that good efficiency is only attained for very long codes and in a very narrow range centered around the quantum bit error rate (QBER) that the code was designed to reconcile, thus forcing to have several codes if a broad range of QBER needs to be catered for. Real world implementations of these methods are thus very demanding, either on computational or communication resources or both, to the extent that the last generation of GHz clocked QKD systems are finding a bottleneck in the classical part. In order to produce compact, high performance and reliable QKD systems it would be highly desirable to remove these problems. Here we analyse the use of short-length LDPC codes in the information reconciliation context using a low interactivity, \textit{blind}, protocol that avoids an a priori error rate estimation. We demonstrate that $2 \times 10^3$ bits length LDPC codes are suitable for blind reconciliation. Such codes are of high interest in practice, since they can be used for hardware implementations with very high throughput.

arXiv:1205.5729•Quantum Information and Computation•Sep 1, 2012•46 citations

Rate-Adaptive LDPC-based key reconciliation for high performance quantum key distribution

Jesús Martínez-Mateo, José Luis Rosales, Vicente Martín Ayuso

The postprocessing or secret-key distillation process in quantum key distribution (QKD) mainly involves two well-known procedures: information reconciliation and privacy amplification. Information or key reconciliation has been customarily studied in terms of efficiency. During this, some information needs to be disclosed for reconciling discrepancies in the exchanged keys. The leakage of information is lower bounded by a theoretical limit, and is usually parameterized by the reconciliation efficiency (or inefficiency), i.e. the ratio of additional information disclosed over the Shannon limit. Most techniques for reconciling errors in QKD try to optimize this parameter. For instance, the well-known Cascade (probably the most widely used procedure for reconciling errors in QKD) was recently shown to have an average efficiency of 1.05 at the cost of a high interactivity (number of exchanged messages). Modern coding techniques, such as rate-adaptive low-density parity-check (LDPC) codes were also shown to achieve similar efficiency values exchanging only one message, or even better values with few interactivity and shorter block-length codes.

•Jan 1, 2015•0 citations

Sistemas de Distribución de Clave Cuántica Basados en Codificación en Frecuencia

A. Ruiz-Alba

Esta tesis se centra en el estudio de la aplicabilidad que dos disciplinas, la fotónica de microondas (MWP) y las comunicaciones cuánticas, pueden aportar en el desarrollo de nuevos sistemas de distribución de clave cuántica (QKD). El objetivo principal es el análisis y la validación experimental de sistemas QKD en la técnica de codificación en frecuencia (FC-QKD), por medio de distintas configuraciones de moduladores. Los sistemas FC-QKD permiten la incorporación de técnicas de multiplexación empleadas en MWP, por ello, se presenta un sistema basado en multiplexación de la subportadora (SCM) y multiplexación en longitud de onda (WDM) que permite la correcta distribución de claves mediante el protocolo BB84. Los sistemas SCM-QKD presentan algunas ventajas como su alta eficiencia espectral y la posibilidad de compartir una única fuente para todos los canales. Esto reduce considerablemente la complejidad del sistema y permite incorporar la técnica WDM aumentando el número de claves que se transmiten paralelamente y transmitiendo la informacióon de estas junto a canales clásicos sobre la misma fibra óptica.\nPara entender las funcionalidades de los sistemas FC-QKD se ha realizado un análisis teórico, que permite obtener expresiones para la tasa de error de bit (QBER) y la tasa de transmisión de clave, teniendo en cuenta los diferentes factores limitantes de los sistemas SCM-QKD, incluyendo la dispersión de la fibra y los efectos de intermodulación. Complementando este análisis teórica, se desarrolla diferentes esquemas experimentales en el laboratorio para evaluar la viabilidad experimental de este tipo de estructuras y tecnologías para su uso en sistemas QKD. Finalmente se presenta un sistema con cuatro canales independientes consiguiéndose una tasa de bit en crudo de 10 kb/s por canal, con un QBER por debajo del 2% y un enlace de 11 km. Estos resultados abren el camino para el uso de estos sistemas QKD en redes ópticas.

•Jun 28, 2012•0 citations

EFFICIENT RECONCILIATION WITH RATE ADAPTIVE CODES IN QUANTUM KEY DISTRIBUTION

David Elkouss, Jesús Martínez-Mateo, Vicente Martín +1 more

Quantum key distribution (QKD) relies on quantum and classical procedures in order to achieve the growing of a secret random string —the key— known only to the two parties executing the protocol. Limited intrinsic efficiency of the protocol, imperfect devices and eavesdropping produce errors and information leakage from which the set of measured signals —the raw key— must be stripped in order to distill a final, information theoretically secure, key. The key distillation process is a classical one in which basis reconciliation, error correction and privacy amplification protocols are applied to the raw key. This cleaning process is known as information reconciliation and must be done in a fast and efficient way to avoid cramping the performance of theQKD system. Brassard and Salvail proposed a very simple and elegant protocol to reconcile keys in the secretkey agreement context, known as Cascade, that has become the de-facto standard for all QKD practical implementations. However, it is highly interactive, requiring many communications between the legitimate parties and its efficiency is not optimal, imposing an early limit to the maximum tolerable error rate. In this paper we describe a low-density parity-check reconciliation protocol that improves significantly on these problems. The protocol exhibits better efficiency and limits the number of uses of the communications channel. It is also able to adapt to different error rates while remaining efficient, thus reaching longer distances or higher secure key rate for a given QKD system.

•Jan 1, 2010•1 citation
Advances in modern cryptography for secret-key agreement are driving the development of new methods and techniques in key distillation. Most of these developments, focusing on information reconciliation and privacy amplification, are for the direct benefit of quantum key distribution (QKD). In this context, information reconciliation has historically been done using heavily interactive protocols, i.e. with a high number of channel communications, such as the well-known Cascade. In this work we show how modern coding techniques can improve the performance of these methods for information reconciliation in QKD. Here, we propose the use of low-density parity-check (LDPC) codes, since they are good both in efficiency and throughput. A price to pay, a priori, using LDPC codes is that good efficiency is only attained for very long codes and in a very narrow range of error rates. This forces to use several codes in cases when the error rate varies significantly in different uses of the channel, a common situation for instance in QKD. To overcome these problems, this study examines various techniques for adapting LDPC codes, thus reducing the number of codes needed to cover the target range of error rates. These techniques are also used to improve the average efficiency of short-length LDPC codes based on a feedback coding scheme. The importance of short codes lies in the fact that they can be used for high throughput hardware implementations. In a further advancement, a protocol is proposed that avoids the a priori error rate estimation required in other approaches. This blind protocol also brings interesting implications to the finite key analysis. Los avances en la criptografía moderna para el acuerdo de clave secreta están empujando el desarrollo de nuevos métodos y técnicas para la destilación de claves. La mayoría de estos desarrollos, centrados en la reconciliación de información y la amplificación de privacidad, proporcionan un beneficio directo para la distribución cuántica de claves (QKD). En este contexto, la reconciliación de información se ha realizado históricamente por medio de protocolos altamente interativos, es decir, con un alto número de comunicaciones, tal y como ocurre con el protocolo Cascade. En este trabajo mostramos cómo las técnicas de codificación modernas pueden mejorar el rendimiento de estos métodos para la reconciliación de información en QKD. Proponemos el uso de códigos low-density parity-check (LDPC), puesto que estos son buenos tanto en eficiencia como en tasa de corrección. Un precio a pagar, a priori, utilizando códigos LDPC es que una buena eficiencia sólo se alcanza para códigos muy largos y en un rango de error limitado. Este hecho nos obliga a utilizar varios códigos en aquellos casos en los que la tasa de error varía significativamente para distintos usos del canal, una situación común por ejemplo en QKD. Para superar estos problemas, en este trabajo analizamos varias técnicas para la adaptación de códigos LDPC, y así poder reducir el número de códigos necesarios para cubrir el rango de errores deseado. Estas técnicas son también utilizadas para mejorar la eficiencia promedio de códigos LDPC cortos en un esquema de codificación con retroalimentación o realimentación (mensaje de retorno). El interés de los códigos cortos reside en el vii hecho de que estos pueden ser utilizados para implementaciones hardware de alto rendimiento. En un avance posterior, proponemos un nuevo protocolo que evita la estimación inicial de la tasa de error, requerida en otras propuestas. Este protocolo ciego también nos brinda implicaciones interesantes en el análisis de clave finita.
We consider in this thesis the problem of information reconciliation in the context of secret key distillation between two legitimate parties. In some scenarios of interest this problem can be advantageously solved with low density parity check (LDPC) codes optimized for the binary symmetric channel. In particular, we demonstrate that our method leads to a significant efficiency improvement, with respect to earlier interactive reconciliation methods. We propose a protocol based on LDPC codes that can be adapted to changes in the communication channel extending the original source. The efficiency of our protocol is only limited by the quality of the code and, while transmitting more information than needed to reconcile Alice’s and Bob’s sequences, it does not reveal any more information on the original source than an ad-hoc code would have revealed.---ABSTRACT---En esta tesis estudiamos el problema de la reconciliación de información en el contexto de la destilación de secreto entre dos partes. En algunos escenarios de interés, códigos de baja densidad de ecuaciones de paridad (LDPC) adaptados al canal binario simétrico ofrecen una buena solución al problema estudiado. Demostramos que nuestro método mejora significativamente la eficiencia de la reconciliación. Proponemos un protocolo basado en códigos LDPC que puede ser adaptado a cambios en el canal de comunicaciones mediante una extensión de la fuente original. La eficiencia de nuestro protocolo está limitada exclusivamente por el código utilizado y no revela información adicional sobre la fuente original que la que un código con la tasa de información adaptada habría revelado.
Algunos trabajos recientes han desarrollado varias alternativas a Cascade, entre las cuales destacan aquellas basadas en el uso de técnicas de codificación modernas. Por ejemplo, a través del uso de códigos Low-Density Parity-Check (LDPC) hoy día encontramos varias propuestas que permiten mejorar la eficiencia de la reconciliación de clave para ratios de error elevados. Al utilizar códigos LDPC tan sólo se requiere un único uso del canal de comunicación. Estas propuestas se basan en una técnica conocida como “codificación de síndrome” que permite aplicar métodos de corrección de errores para reconciliar cadenas aleatorias correlacionadas. En una de estas propuestas aplicamos dos técnicas conocidas en codificación, cómo son la perforación y el acortado de símbolos, para adaptar en tiempo real el ratio de información proporcionado por el síndrome intercambiado.
Information reconciliation is a crucial procedure in the classical post-processing of quantum key distribution (QKD). Poor reconciliation efficiency, revealing more information than strictly needed, may compromise the maximum attainable distance, while poor performance of the algorithm limits the practical throughput in a QKD device. Historically, reconciliation has been mainly done using close to minimal information disclosure but heavily interactive procedures, like \textit{Cascade}, or using less efficient but also less interactive ---just one message is exchanged--- procedures, like the ones based in low-density parity-check (LDPC) codes. The price to pay in the LDPC case is that good efficiency is only attained for very long codes and in a very narrow range centered around the quantum bit error rate (QBER) that the code was designed to reconcile, thus forcing to have several codes if a broad range of QBER needs to be catered for. Real world implementations of these methods are thus very demanding, either on computational or communication resources or both, to the extent that the last generation of GHz clocked QKD systems are finding a bottleneck in the classical part. In order to produce compact, high performance and reliable QKD systems it would be highly desirable to remove these problems. Here we analyse the use of short-length LDPC codes in the information reconciliation context using a low interactivity, \textit{blind}, protocol that avoids an a priori error rate estimation. We demonstrate that 2×1032 \times 10^32×103 bits length LDPC codes are suitable for blind reconciliation. Such codes are of high interest in practice, since they can be used for hardware implementations with very high throughput.
The postprocessing or secret-key distillation process in quantum key distribution (QKD) mainly involves two well-known procedures: information reconciliation and privacy amplification. Information or key reconciliation has been customarily studied in terms of efficiency. During this, some information needs to be disclosed for reconciling discrepancies in the exchanged keys. The leakage of information is lower bounded by a theoretical limit, and is usually parameterized by the reconciliation efficiency (or inefficiency), i.e. the ratio of additional information disclosed over the Shannon limit. Most techniques for reconciling errors in QKD try to optimize this parameter. For instance, the well-known Cascade (probably the most widely used procedure for reconciling errors in QKD) was recently shown to have an average efficiency of 1.05 at the cost of a high interactivity (number of exchanged messages). Modern coding techniques, such as rate-adaptive low-density parity-check (LDPC) codes were also shown to achieve similar efficiency values exchanging only one message, or even better values with few interactivity and shorter block-length codes.
Esta tesis se centra en el estudio de la aplicabilidad que dos disciplinas, la fotónica de microondas (MWP) y las comunicaciones cuánticas, pueden aportar en el desarrollo de nuevos sistemas de distribución de clave cuántica (QKD). El objetivo principal es el análisis y la validación experimental de sistemas QKD en la técnica de codificación en frecuencia (FC-QKD), por medio de distintas configuraciones de moduladores. Los sistemas FC-QKD permiten la incorporación de técnicas de multiplexación empleadas en MWP, por ello, se presenta un sistema basado en multiplexación de la subportadora (SCM) y multiplexación en longitud de onda (WDM) que permite la correcta distribución de claves mediante el protocolo BB84. Los sistemas SCM-QKD presentan algunas ventajas como su alta eficiencia espectral y la posibilidad de compartir una única fuente para todos los canales. Esto reduce considerablemente la complejidad del sistema y permite incorporar la técnica WDM aumentando el número de claves que se transmiten paralelamente y transmitiendo la informacióon de estas junto a canales clásicos sobre la misma fibra óptica.\nPara entender las funcionalidades de los sistemas FC-QKD se ha realizado un análisis teórico, que permite obtener expresiones para la tasa de error de bit (QBER) y la tasa de transmisión de clave, teniendo en cuenta los diferentes factores limitantes de los sistemas SCM-QKD, incluyendo la dispersión de la fibra y los efectos de intermodulación. Complementando este análisis teórica, se desarrolla diferentes esquemas experimentales en el laboratorio para evaluar la viabilidad experimental de este tipo de estructuras y tecnologías para su uso en sistemas QKD. Finalmente se presenta un sistema con cuatro canales independientes consiguiéndose una tasa de bit en crudo de 10 kb/s por canal, con un QBER por debajo del 2% y un enlace de 11 km. Estos resultados abren el camino para el uso de estos sistemas QKD en redes ópticas.
Quantum key distribution (QKD) relies on quantum and classical procedures in order to achieve the growing of a secret random string —the key— known only to the two parties executing the protocol. Limited intrinsic efficiency of the protocol, imperfect devices and eavesdropping produce errors and information leakage from which the set of measured signals —the raw key— must be stripped in order to distill a final, information theoretically secure, key. The key distillation process is a classical one in which basis reconciliation, error correction and privacy amplification protocols are applied to the raw key. This cleaning process is known as information reconciliation and must be done in a fast and efficient way to avoid cramping the performance of theQKD system. Brassard and Salvail proposed a very simple and elegant protocol to reconcile keys in the secretkey agreement context, known as Cascade, that has become the de-facto standard for all QKD practical implementations. However, it is highly interactive, requiring many communications between the legitimate parties and its efficiency is not optimal, imposing an early limit to the maximum tolerable error rate. In this paper we describe a low-density parity-check reconciliation protocol that improves significantly on these problems. The protocol exhibits better efficiency and limits the number of uses of the communications channel. It is also able to adapt to different error rates while remaining efficient, thus reaching longer distances or higher secure key rate for a given QKD system.