A Classical-Light Attack on Energy-Time Entangled Quantum Key Distribution, and Countermeasures

Abstract

Quantum key distribution (QKD) is an application of quantum mechanics that allows two parties to communicate with perfect secrecy. Traditional QKD uses polarization of individual photons, but the development of energytime entanglement could lead to QKD protocols robust against environmental effects. The security proofs of energy-time entangled QKD rely on a violation of the Bell inequality to certify the system as secure. This thesis shows that the Bell violation can be faked in energy-time entangled QKD protocols that involve a postselection step, such as Franson-based setups. Using pulsed and phase-modulated classical light, it is possible to circumvent the Bell test which allows for a local hidden-variable model to give the same predictions as the quantum-mechanical description. We show that this attack works experimentally and also how energy-time-entangled systems can be strengthened to avoid our attack. v vi Populärvetenskaplig sammanfattningKvantkryptering är en tillämpning av kvantmekanik där fysikens lagar används för att kryptera information. Till skillnad mot klassisk kryptering, som bygger på matematiska problem som antas (men inte bevisats) vara svåra att forcera, kan kvantkryptering ge garanterad säkerhet. Inte ens en oändligt snabb dator kan kringgå hemligheter som krypterats på kvantmekanisk väg eftersom säkerheten kommer direkt från fysikens lagar. Vanligtvis bygger kvantkryptering på enstaka fotoner där polarisering bär information, men nackdelen med den metoden är att polarisering är relativt känslig för störningar. Därför har det på senare tid kommit en ny metod, energi-tidssnärjning, som antas vara mer robust och därmed kan vara mer lämpat till att användas i stor skala. Det mest kända protokollet som bygger på denna teknik är Fransons interferometer. Detta system har utvärderats av ledande forskargrupper runt om i världen, och under många år har man trott att det kan uppnå garanterad säkerhet. Denna avhandling kommer dock visa på en inbyggd, allvarlig svaghet som gör att en tredje part kan forcera säkerheten i Fransons interferometer utan att lämna spår efter sig. Följderna är påtagliga; kvantkryptering som baseras på Fransons interferometer kan avlyssnas och måste därför byta ut den grundläggande säkerhetsmekanismen. Bells olikhet i sin ursprungliga form kan luras att certifiera ett osäkert system som säkert, och vi avslutar med att ge förslag på möjliga förbättringar. vii viii

Breaking the Unbreakable: Exploiting Loopholes in Bell’s Theorem to Hack Quantum Cryptography

“…Publications A and B have previously been included in the thesis author's Licenciate thesis published in 2015 [51]. The Swedish Licenciate degree comprises 120 ECTS credits of postgraduate studies.…”