量子暗号の形式的検証のための 確率双模倣 -...

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量子暗号の形式的検証のための 確率双模倣 久保田 貴大 * , 角谷 良彦 * , 加藤 , 河野 泰人 , 櫻田 英樹 * 東京大学情報理工学系研究科, NTTコミュニケーション科学基礎研究所

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Page 1: 量子暗号の形式的検証のための 確率双模倣 - JSIAMfais.jsiam.org/doc/20140319-kubota.pdf2014/03/19  · 背景 •暗号安全性証明の検証は難しい –古典暗号に対しては,

量子暗号の形式的検証のための 確率双模倣

久保田 貴大*, 角谷 良彦*, 加藤 豪†, 河野 泰人†, 櫻田 英樹†

*東京大学情報理工学系研究科, †NTTコミュニケーション科学基礎研究所

Page 2: 量子暗号の形式的検証のための 確率双模倣 - JSIAMfais.jsiam.org/doc/20140319-kubota.pdf2014/03/19  · 背景 •暗号安全性証明の検証は難しい –古典暗号に対しては,

量子暗号の形式的検証のための 近似双模倣

久保田 貴大*, 角谷 良彦*, 加藤 豪†, 河野 泰人†, 櫻田 英樹†

*東京大学情報理工学系研究科, †NTTコミュニケーション科学基礎研究所

Page 3: 量子暗号の形式的検証のための 確率双模倣 - JSIAMfais.jsiam.org/doc/20140319-kubota.pdf2014/03/19  · 背景 •暗号安全性証明の検証は難しい –古典暗号に対しては,

背景

• 暗号安全性証明の検証は難しい

–古典暗号に対しては, 検証のための 形式体系やツールが開発・適用されている

• 形式的検証は, 量子暗号に対しても有用

–複雑な安全性証明がある [Mayers’98]

–今後も, さまざまなプロトコルが 提案される可能性がある

Page 4: 量子暗号の形式的検証のための 確率双模倣 - JSIAMfais.jsiam.org/doc/20140319-kubota.pdf2014/03/19  · 背景 •暗号安全性証明の検証は難しい –古典暗号に対しては,

本研究の目標

• 量子プロセス計算qCCSを, Shor-PreskillのBB84の安全性証明に適用すること

–プロセス計算は並行システムを記述するのに 適している

• qCCSには, プロセスの双模倣の概念がある [Feng+’11]

– Shor-Preskillの証明は, 最もシンプルな安全性証明のひとつ [Shor-Preskill’00]

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public quantum channel

public classical channel

BB84

Alice

Bob

Outline of Shor-Preskill proof of BB84

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

Outline of Shor-Preskill proof of BB84

EDP-based

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

Outline of Shor-Preskill proof of BB84

EDP-based

(1) Prove equivalence

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

Outline of Shor-Preskill proof of BB84

(2) Prove security

EDP-based

(1) Prove equivalence

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

EDP-based

Our formal verification

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

EDP-based

Our formal verification

双模倣の自動検証 (FAIS2013春) ≈

Formalization as qCCS configs.

qCCSの枠組みで形式化(FAIS2012春)

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

EDP-based

Our formal verification

public quantum channel

public classical channel

private classical channel Alice

EDP-ideal

Bob

Formalization as qCCS configs.

双模倣の自動検証 (FAIS2013春)

qCCSの枠組みで形式化(FAIS2012春)

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

EDP-based

Our formal verification

public quantum channel

public classical channel

private classical channel Alice

EDP-ideal

Bob

Formalization as qCCS configs.

双模倣の自動検証 (FAIS2013春)

qCCSの枠組みで形式化(FAIS2012春) 安全性が自明に成り立つプロトコル

AliceとBobは, 事前にEPRペアを共有

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

EDP-based

Our formal verification

public quantum channel

public classical channel

private classical channel Alice

EDP-ideal

Bob

双模倣の自動検証 (FAIS2013春)

qCCSの枠組みで形式化(FAIS2012春)

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

EDP-based

Our formal verification

public quantum channel

public classical channel

private classical channel Alice

EDP-ideal

Bob

近似双模倣の自動検証 ~

双模倣の自動検証 (FAIS2013春)

qCCSの枠組みで形式化(FAIS2012春)

qCCSの枠組みで形式化

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本研究の貢献

• 非決定的qCCSのコンフィグレーションたちに 対して, 近似双模倣関係を定義した

–並行合成に関して閉じている

• 𝑃, 𝜌 ∼ 𝑄, 𝜎 ならば 𝑃||𝑅, 𝜌 ∼ 𝑄||𝑅, 𝜎

–安全性証明に適用可能

• 検証ツールを拡張し, Shor-Preskillの証明の 後半部分に適用した

qCCSをツール用に 簡略化した枠組み

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Outline

• Quantum process calculus qCCS

• Nondeterministic qCCS

• Approximate bisimulation

• Application to Shor-Preskill’s security proof

• Experiment

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Outline

• Quantum process calculus qCCS

• Nondeterministic qCCS

• Approximate bisimulation

• Application to Shor-Preskill’s security proof

• Experiment

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Syntax of qCCS [Feng+’11]

𝑒 : real expression 𝑏 : boolean expression on real numbers 𝑞 : quantum variable M : Hermitian operator 𝑜𝑝 : TPCP map 𝑞 : sequence of quantum variables L : set of channels

20

Quantum operation Measurement

Quantum communication

Quantum communication

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Configuration

• A pair 𝑃, 𝜌 of a process 𝑃 and a quantum state 𝜌

where 𝜌𝐸 is the outsider’s arbitrary state

+ :=0 +|1⟩

2

𝑃 𝜌

22

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• 𝑃, 𝜌𝛼 𝜇

– A configuration 𝑃, 𝜌 performs an action 𝛼 and transits to a probability distribution 𝜇 on configurations

𝜌 is a distribution on quantum states

𝜇 is a distribution on configurations

Probabilistic labeled transition

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Probabilistic labeled transition

𝜏 𝜏

1/2 1/2

1

1

Sends 𝑞𝐵 to the outside through c

Measures 𝑞𝐴

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Probabilistic labeled transition

𝜏 𝜏

1/2 1/2

1

1

Only measurement causes a prob. branch

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1

Probabilistic labeled transition

𝜏 𝜏

1/2 1/2

1

Visible action from the outside

Invisible action from the outside

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Bisimulation Relation

• Two configurations 𝑃, 𝜌 , 𝑄, 𝜎 are bisimilar, written 𝑃, 𝜌 ≈ 𝑄, 𝜎 , if

1. qv(𝑃) = qv(𝑄) and trqv 𝑃 𝜌 = trqv 𝑄 𝜎 hold

-- namely, the states that the outsider can access are the same

2. For any outsider’s operation 𝐸 acting on 𝑞𝑉𝑎𝑟 − qv(𝑃), Each transition of 𝑃, 𝐸𝜌 is “simulated” by those of 𝑄, 𝐸𝜎 up to 𝜏 transitions

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Bisimulation Relation

• Two configurations 𝑃, 𝜌 , 𝑄, 𝜎 are bisimilar, written 𝑃, 𝜌 ≈ 𝑄, 𝜎 , if

1. qv(𝑃) = qv(𝑄) and trqv 𝑃 𝜌 = trqv 𝑄 𝜎 hold

-- namely, the states that the outsider can access are the same

2. For any outsider’s operation 𝐸 acting on 𝑞𝑉𝑎𝑟 − qv(𝑃), Each transition of 𝑃, 𝐸𝜌 is “simulated” by those of 𝑄, 𝐸𝜎 up to 𝜏 transitions

のとき,

trqv 𝑃 (𝜌) = 𝜌𝐸 𝑃 𝜌

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Bisimulation Relation

• Two configurations 𝑃, 𝜌 , 𝑄, 𝜎 are bisimilar, written 𝑃, 𝜌 ≈ 𝑄, 𝜎 , if

1. qv(𝑃) = qv(𝑄) and trqv 𝑃 𝜌 = trqv 𝑄 𝜎 hold

-- namely, the states that the outsider can access are the same

2. For any outsider’s operation 𝐸 acting on 𝑞𝑉𝑎𝑟 − qv(𝑃), Each transition of 𝑃, 𝐸𝜌 is “simulated” by those of 𝑄, 𝐸𝜎 up to 𝜏 transitions

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Example of Bisimulation

≈ 𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎

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Example of Bisimulation

𝑃, 𝐸𝜌 𝑄, 𝐸𝜎

≈ 𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎

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Example of Bisimulation

𝑃, 𝐸𝜌 𝑄, 𝐸𝜎

𝐜! 𝑞

𝑃′, 𝜌′

≈ 𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎

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Example of Bisimulation

𝑃, 𝐸𝜌 𝑄, 𝐸𝜎

𝐜! 𝑞

𝑃′, 𝜌′ 𝑄′, 𝜎′

𝜏 𝐜! 𝑞

𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎

Page 31: 量子暗号の形式的検証のための 確率双模倣 - JSIAMfais.jsiam.org/doc/20140319-kubota.pdf2014/03/19  · 背景 •暗号安全性証明の検証は難しい –古典暗号に対しては,

Example of Bisimulation

𝑃, 𝐸𝜌 𝑄, 𝐸𝜎

𝐜! 𝑞

𝑃′, 𝜌′ 𝑄′, 𝜎′

𝜏 𝐜! 𝑞

𝑃′, 𝐸′𝜌′ 𝑄′, 𝐸′𝜎′

𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎

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Example of Bisimulation

𝑃, 𝐸𝜌 𝑄, 𝐸𝜎

𝐜! 𝑞

𝑃′, 𝜌′

𝜏 𝜏

𝑄′, 𝜎′

𝜏 𝐜! 𝑞

𝑃1, 𝜌1 𝑃2, 𝜌2

𝑃′, 𝐸′𝜌′ 𝑄′, 𝐸′𝜎′

𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎

1/3 2/3

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Example of Bisimulation

𝑃, 𝐸𝜌 𝑄, 𝐸𝜎

𝐜! 𝑞

𝑃′, 𝜌′

𝜏 𝜏

𝑄′, 𝜎′

𝑄3, 𝜎3

𝜏 𝐜! 𝑞

𝑃1, 𝜌1 𝑃2, 𝜌2

𝑃′, 𝐸′𝜌′

𝑄2, 𝜎2

𝑄1, 𝜎1

𝑄′, 𝐸′𝜎′ 𝜏 𝜏

𝜏

𝜏 𝜏 𝜏

𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎

1/3 2/3

1/3

1/3

1/3

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Example of Bisimulation

𝑃, 𝐸𝜌 𝑄, 𝐸𝜎

𝐜! 𝑞

𝑃′, 𝜌′

𝜏 𝜏

𝑄′, 𝜎′

𝑄3, 𝜎3

𝜏 𝐜! 𝑞

𝑃1, 𝜌1 𝑃2, 𝜌2

𝑃′, 𝐸′𝜌′

𝑄2, 𝜎2

𝑄1, 𝜎1

𝑄′, 𝐸′𝜎′ 𝜏 𝜏

𝜏

𝜏 𝜏 𝜏

𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎

1/3 2/3

1/3

1/3

1/3 ≈

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Outline

• Quantum process calculus qCCS

• Nondeterministic qCCS

• Approximate bisimulation

• Application to Shor-Preskill’s security proof

• Experiment

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Simplification of Syntax

• 𝑀[𝑞; 𝑥] and if must always be written together

q must be a qubit

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Simplification of syntax

1/2

τ τ

1/2

1/2

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1/2

τ τ

1/2

1/2

trace is 1

Simplification of operational semantics

probability to reach here

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• Excluded probability from the transition system by extending the def. of configurations

τ τ

1/2 1/2

1/2

Simplification of operational semantics

trace is 1/2 probability to reach here

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Simplified formal framework

• We call nondeterministic qCCS

• Transition system is only nondeterministic

– For a configuration 𝑃, 𝜌 , tr(𝜌) is the probability to reach it

and the quantum state is 𝜌

tr(𝜌)

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Outline

• Quantum process calculus qCCS

• Nondeterministic qCCS

• Approximate bisimulation

• Application to Shor-Preskill’s security proof

• Experiment

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public quantum channel

public classical channel

public quantum channel

public classical channel

private classical channel

BB84

Alice

Bob

Alice

Bob

EDP-based

Our formal verification

public quantum channel

public classical channel

private classical channel Alice

EDP-ideal

Bob

近似双模倣の自動検証 ~

双模倣の自動検証 (FAIS2013春)

qCCSの枠組みで形式化(FAIS2012春)

qCCSの枠組みで形式化(FAIS2012春)

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Trace distance

• 𝑑 𝜌, 𝜎 ≔ 1

2tr|𝜌 − 𝜎|, where 𝐴 = 𝐴†𝐴

• Examples

– 𝑑 0 0 , + + =1

2

– 𝑑 0 0 ⊗𝑛, + + ⊗𝑛 = 1 −1

2𝑛

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Approximate Bisimulation

• Two configurations 𝑃, 𝜌 , 𝑄, 𝜎 are approximately bisimilar, written 𝑃, 𝜌 ~ 𝑄, 𝜎 , if

1. qv(𝑃) = qv(𝑄) hold and

𝑑 trqv 𝑃 𝜌 , trqv 𝑄 𝜎 is negligible

2. For any outsider’s operation 𝐸 acting on 𝑞𝑉𝑎𝑟 − qv(𝑃),

𝑃, 𝐸𝜌𝛼 𝑃′, 𝜌′ holds and tr(𝜌′) is non-negligible,

𝑄, 𝐸𝜎𝜏∗

𝛼

𝜏∗ 𝑄′, 𝜎′ and 𝑃′, 𝜌′ ~ 𝑄′, 𝜎′ hold

for some 𝑄′, 𝜎′ , and conversely

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Properties of approximate bisimulation

• The relation ∼ is an equivalence relation

• If 𝑃, 𝜌 ∼ 𝑄, 𝜎 holds, then 𝑃||𝑅, 𝜌 ∼ 𝑄||𝑅, 𝜎 holds for all process 𝑅

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Application of the property

• Multiple session

⟨𝑃, 𝜌 ⊗ 𝜌𝐸⟩~ 𝑄, 𝜎 ⊗ 𝜌𝐸 for all 𝜌𝐸, and

⟨𝑃′, 𝜌′ ⊗ 𝜌′𝐸⟩~ 𝑄′, 𝜎′ ⊗ 𝜌′𝐸 for all 𝜌′𝐸 implies ⟨𝑃||𝑃′, 𝜌 ⊗ 𝜌′′𝐸⟩~⟨𝑄||𝑄′, 𝜎 ⊗ 𝜌′′𝐸⟩ for all 𝜌′′𝐸

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Outline

• Quantum process calculus qCCS

• Nondeterministic qCCS

• Approximate bisimulation

• Application to Shor-Preskill’s security proof

• Experiment

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Application to QKD protocols

𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎 EDP-based EDP-ideal

𝑃′′′, 𝜌′′′

𝑃′, 𝜌′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

𝑃′′, 𝜌′′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

τ

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𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎 EDP-based EDP-ideal

𝑃′′′, 𝜌′′′

𝑃′, 𝜌′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

𝑃′′, 𝜌′′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

τ

~

tr(𝜌′) is non-neg. tr(𝜌′′) is non-neg. tr(𝜌′′′) is neg.

Application to QKD protocols

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𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎 EDP-based EDP-ideal

𝑃′′′, 𝜌′′′

𝑃′, 𝜌′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

𝑃′′, 𝜌′′

s!kA

𝑄′, 𝜎′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

𝑄′′, 𝜎′′

s!kA

τ

~

tr(𝜌′) is non-neg. tr(𝜌′′) is non-neg. tr(𝜌′′′) is neg.

Application to QKD protocols

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𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎 EDP-based EDP-ideal

𝑃′′′, 𝜌′′′

𝑃′, 𝜌′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

𝑃′′, 𝜌′′

s!kA

𝑄′, 𝜎′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

𝑄′′, 𝜎′′

s!kA

τ

Trace distances are negligibly small

~

~ ~ tr(𝜌′) is non-neg. tr(𝜌′′) is non-neg. tr(𝜌′′′) is neg.

Application to QKD protocols

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Property of distance of probability-weighted density matrices

• If 𝑑 𝜌, 𝜎 is negligible, then

tr 𝜌 − tr 𝜎 is negligible and

|tr 𝜌 tr 𝜋𝜌

tr(𝜌)− tr 𝜎 tr 𝜋

𝜎

tr 𝜎| is

negligible for all projector 𝜋

– For a configuration 𝑃, 𝜌 ,

• tr 𝜌 is the probability to reach 𝑃, 𝜌

•𝜌

tr(𝜌) is the quantum state

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Property of distance of probability-weighted density matrices

• If 𝑑 𝜌, 𝜎 is negligible, then

tr 𝜌 − tr 𝜎 is negligible and

|tr 𝜌 tr 𝜋𝜌

tr(𝜌)− tr 𝜎 tr 𝜋

𝜎

tr 𝜎| is

negligible for all projector 𝜋

– For a configuration 𝑃, 𝜌 ,

• tr 𝜌 is the probability to reach 𝑃, 𝜌

•𝜌

tr(𝜌) is the quantum state

Joint probability that the configuration reaches 𝑃, 𝜌 and

obtain the measurement result corresponding to 𝜋

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Application to QKD

• If 𝑑 𝜌, 𝜎 is negligible, then

tr 𝜌 − tr 𝜎 is negligible and

|tr 𝜌 tr 𝜋𝑖𝜌

tr(𝜌)− tr 𝜎 tr 𝜋𝑖

𝜎

tr 𝜎| is neg.

Let

𝜌 : a final state of an execution of EDP-based

𝜎 : a final state of an execution of EDP-ideal

𝜋𝑖 : the projector to the subspace where 𝑖-th bits of Alice’s and Eve’s key are equal

This is 1/2

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Application to QKD

• If 𝑑 𝜌, 𝜎 is negligible, then

tr 𝜌 − tr 𝜎 is negligible and

|tr 𝜌 tr 𝜋𝑖𝜌

tr(𝜌)− tr 𝜎 tr 𝜋𝑖

𝜎

tr 𝜎| is neg.

We can derive that p(𝑘𝐴,𝑖 = 𝑘𝐸,𝑖) − 1/2 is negligible for all 𝑖.

This is 1/2

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Outline

• Quantum process calculus qCCS

• Nondeterministic qCCS

• Approximate bisimulation

• Application to Shor-Preskill’s security proof

• Experiment

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Verifier2

• Checks 𝑃, 𝜌 ∼ 𝑄, 𝜎

• Input: – 𝑃, 𝜌 , 𝑄, 𝜎

– A set of equations 𝑒𝑞𝑠

– A set of indistinguishability expressions 𝑖𝑛𝑑𝑠

• Output: true or false

65

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プロトコルの形式化

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プロトコルの形式化

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プロトコルの形式化

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プロトコルの形式化

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ユーザ定義近似式

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Environment of the experiment

• Panasonic CF-J9 Intel(R) Core(TM) i5 CPU M460 @ 2.53GHz, 1GB memory

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Results

BB84∼EDP EDP∼ideal

eqs 6 0

inds 0 24

time (sec) 39.50 112.50

proc. calls 1039 907

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今後の課題

• 等式・近似式の正しさの形式的検証

• qCCSの枠組みにおける近似双模倣関係の定義

• 非決定的qCCSの近似双模倣関係の 健全性の考察

• 他のプロトコルへの適用

– B92, six-state protocol

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Approximate Bisimulation

• Two configurations 𝑃, 𝜌 , 𝑄, 𝜎 are approximately bisimilar, written 𝑃, 𝜌 ~ 𝑄, 𝜎 , if

1. qv(𝑃) = qv(𝑄) hold and

𝑑 trqv 𝑃 𝜌 , trqv 𝑄 𝜎 is negligible

2. For any outsider’s operation 𝐸 acting on 𝑞𝑉𝑎𝑟 − qv(𝑃),

𝑃, 𝐸𝜌𝛼 𝑃′, 𝜌′ holds and tr(𝜌′) is non-negligible,

𝑄, 𝐸𝜎𝜏∗

𝛼

𝜏∗ 𝑄′, 𝜎′ and 𝑃′, 𝜌′ ~ 𝑄′, 𝜎′ hold

for some 𝑄′, 𝜎′ , and conversely

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1/2

τ τ

1/2

1/2

probability to reach here

trace is 1

Simplification of operational semantics

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• Excluded probability from the transition system by extending the def. of configurations

τ τ

1/2 1/2

1/2

Simplification of operational semantics

trace is 1/2 probability to reach here

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𝑃, 𝜌 𝑄, 𝜎 EDP-based EDP-ideal

𝑃′′′, 𝜌′′′

𝑃′, 𝜌′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

𝑃′′, 𝜌′′

s!kA

𝑄′, 𝜎′

s!kA

c1!qA

τ c1?qB

𝑄′′, 𝜎′′

s!kA

τ

Trace distances are negligibly small

~

~ ~ tr(𝜌′) is non-neg. tr(𝜌′′) is non-neg. tr(𝜌′′′) is neg.

Application to QKD protocols

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Verifier2

If 𝑃, 𝐸 𝑟 𝜌 by measure,

it searches 𝑄1, 𝜎1 and 𝑄2, 𝜎2 such that

and 𝑃1, 𝜌1 ≈Verifier2 𝑄1, 𝜎1 and 𝑃2, 𝜌2 ≈Verifier2 𝑄2, 𝜎2

τ

τ

𝑃1, 𝜌1

𝑃2, 𝜌2

𝑄, 𝐸 𝑟 𝜎 𝑄1, 𝜎1

𝑄2, 𝜎2

τ*

τ* 𝑄, 𝐸 𝑟 𝜎 Not limited form

79

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Verifier1

If 𝑃, 𝐸 𝑟 𝜌 by measure,

it searches 𝑄1, 𝜎1 and 𝑄2, 𝜎2 such that

and 𝑃1, 𝜌1 ≈Verifier1 𝑄1, 𝜎1 and 𝑃2, 𝜌2 ≈Verifier1 𝑄2, 𝜎2

τ

τ

𝑃1, 𝜌1

𝑃2, 𝜌2

𝑄, 𝐸 𝑟 𝜎

𝑄1, 𝜎1

𝑄2, 𝜎2

τ* τ

τ

τ*

τ* Limited form

80

measure branch