Aleve
Anmeldungsdatum: 30.09.2017
Beiträge: 15
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 Aleve Verfasst am: 23. Okt 2017 18:41 Titel: Quantenkryptographie - BB84 Protokoll |
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Hallo,
ich habe einige Verständnisfragen zum BB84 Protokoll für die Quantenkryptographie und wäre über jede Hilfe sehr dankbar. Es geht um allgemeine Fragen als auch konkrete Fragen zur experimentellen Ausführung.
Die BB84-Prozedur ist ja ein Verfahren zur Erzeugung eines Rohschlüssels für das One-Time-Pad, indem unterschiedlichen Polarisationszuständen von Photonen, Bits zugeordnet werden (kann man auch sagen Quantenbits?), wobei nur Messwerte von Sender/Empfänger (Alice/Bob) gültig sind, bei denen sowohl die Basis als auch der Polarisationszustand der Messung identisch sind da nur dann eine unveränderte Informationsvermittlung stattgefunden hat.
Meine erste allgemeine Frage:
Vorerst: Mit ψ beschreibe ich die Polarisationszustände der Photonen, mit p die Orientierung Bobs Pol.Filters
1. Ist der Informationsgehalt, der durch die Photonen gesendet wird jeweils, von ihren Polarisationszuständen abhängig? Wie muss man sich das informationstechnologisch vorstellen? Bei der Zuordnung entsprechen ja (ψ = 0° und +45°) dem Bit 1 und (90° und -45°) dem Bit 0. Es sind die gleichen Bits, obwohl ψ jeweils , abhängig von der Basis, unterschiedlich ist. Ist dann der Informationsgehalt trotzdem der selbe, bzw. im Rohschlüssel identisch? (Was ist nebenbei der Unterschied zu klassischen Bits bzw. sind es im Endeffekt klassische Bits?)
Meine zweite Frage
2. Sagen wir mal ein Lauscher (Eve) würde die Leitung anzapfen und ein Photon mit ψ1 = 90° (Bit 1) von Alice zu ψ2 = -45° (Bit 0) präparieren. Bob hat seinen Pol.filter auf p = 90° (Bit 1) gestellt, das Photon tritt zufällig durch und hat jetzt wieder Bit 1. Ist jetzt die alte Information wiederhergestellt, bzw. das Photon noch brauchbar? (Ich weiß Eve nützt der Lauschangriff nix, weil sie ja φ durch ihre Messung verändert hat und auf ψ1 nicht rückschließen kann. Sie kann das Photon auch nicht kopieren (No-Cloning-Theorem)
Was, wenn Eve zufällig ψ2 = 45° eingestellt hätte, dann wäre ja immer noch Bit 1,wie bei ψ1 und p aber ein anderes ψ. Ist die Information die Gleiche? Wenn ja, hat ja Eve jetzt einen Teil des Rohschlüssels herausgefunden oder nicht?
3. Alle ψ werden ja in diesem Verfahren in einem Zwei-Zustand System nach Basis geordnet (H/V-Basis (0°, 90°) und +/- Basis (-45°, +45°)) In einer vereinfachten Form des Versuchs unten nutzt man zur Erzeugung des Schlüssels einen einfachen Quantenzufallsgenerator. Siehe hier:
https://postimg.org/image/45w6k1r8l7/
Wozu braucht man dieses Zwei-Zustand-System bzw die Basen? Wieso kann man die Apparatur nicht genauso aufbauen, wie auf dem Bild?
4. Am Ende wird der Rohschlüssel für das One-Time-Pad genutzt. Bestünde trotz einmaliger Verwendung des Schlüssels nicht die Gefahr, dass ein Hacker durch Brute Force die verschlüsselte Nachricht entschlüsselt, indem er den durch die BB48-Apparatur erzeugten Schlüssel herausfindet? Die Quantenkryptograhie dient ja lediglich zur sicheren Vereinbarung des Schlüssels.
Experimentelle Realisierung des BB48-Protokolls
Hier seht ihr ein Konstruktion von Bobs Empfänger. (Ganz links befindet sich Bobs Pol.Filter)
https://postimg.org/image/5ny3hursjf/
Quelle:https://homepages.physik.unimuenchen.de/~milq/quantenkryp/Quantenkryptographie.pdf
5. Wie ich es verstanden habe, dient der einfache, definierte 50/50 Strahlteiler dazu, nach Quantenzufall dem Photon eine Basis zuzuordnen (Horizontal/Vertikal - unterer Arm) oder (+45°/-45° rechter Arm). Aber wird nicht durch Bob´s Pol.Filter schon eine Basis bestimmt (je nach ψ?) Wenn er z.B. seinen Pol Filter auf + oder - geschaltet hat, Alice ihren aber auf H/V, dann wäre ja die Messung ungültig, weil beide Basen unterschiedlich gewählt wurden, da ja dadurch der Informationsgehalt des Photons verändert wird. Was passiert aber z.B.) wenn
a) ein durch Bob gemessenes Photon der Basis +/- durch den Strahlteiler zufällig auf den H/V Arm gelangt? Kann es dann überhaupt detektiert werden? Es wird ja dann durch den polarisierenden Strahlteiler nicht reflektiert oder transmittiert.
b) andersherum ein H/V Photon auf den +/- Arm weitergeleitet wird? Das lambda/2 Plättchen präpariert ja nur +/- polarisierte Photonen und leitet sie zum pol. Strahlteiler weiter.
Sind das einfach ungültige Messungen, die neben Messungen unterschiedlicher Basis verworfen werden?
Sprich, selbst wenn Alice und Bob eins zu eins gleiche Werte für ψ und die Basis haben, kann es sein, dass der 50/50 Strahlteiler durch Zufall das Photon auf den falschen Arm schickt und die Messung ungültig wird?
7. Nun hätte ich noch eine Frage. Ich möchte den Versuch technisch umsetzen. Vom Aufbau her ist das kein Problem, allerdings möchte ich ein Programm schreiben, das den detektierten Photonen einen Bit zuordnet und mir außerdem angibt, in welchem Arm es gemessen wurde, in dem es der Messung eine Basis zuordnet, um dann mit "Alice" Sender Werten vergleichen zu können. Ich nutze dazu Arduino, müsste mich da aber einarbeiten. Ist so ein Programm möglich und wenn ja aufwändig? Als Detektoren benutze ich Fotowiderstände.
Danke an alle, die bis hier her gelesen haben. Würde mich wirklich freuen, wenn ihr mir etwas helfen könntet, finde woanders keine hilfreichen Antworten auf diese Fragen.
LG
Zuletzt bearbeitet von Aleve am 24. Okt 2017 11:44, insgesamt einmal bearbeitet |
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