Timing side channel issues and photon budget optimization in QKD

Abstract

Prepare-and-measure and entanglement-based quantum-key-distribution (QKD) protocols are vulnerable against a side channel attack that exploits the time difference in detectors' responses used to obtain key bits. There is a correlation between the timing histograms of the detectors and the values of bits they generate, and information leakage to an eavesdropper is quantified by mutual information between them. The recommended solution against the timing side channel attack is to use a large time bin width instead of high-resolution timing information in the QKD system. A common notion is that using a large bin width reduces the resolution of detectors' responses, hence supposedly minimizes the information leakage to an eavesdropper. We challenge this conventional wisdom and demonstrate that increasing the bin width does not monotonically reduce the mutual information between the key bits and the detectors' responses. Second, we discover the parameter of start time of binning and show the characteristic behaviour of the mutual information with respect to it. Third, we examine the effect of full width half maximums of the detectors' responses on the mutual information. As a result, although QKD is theoretically secure in cryptographic point of view, it should be protected against side channel attacks, and our findings about these three points should be found in the body of the thesis and should be taken into account in order to estimate leakage information to a possible eavesdropper correctly. Additionally, there is a huge effort to improve data transfer capacity in QKD technologies to make it deployable in various size establishments and on a global scale. We propose a method to increase raw key rate in discrete-variable entanglement-based QKD applications in which a Bell's inequality is employed for security check. We focus on a standardized E91 QKD system. This method relies on the optimization of photon budget allocation among different types of bits generated purposely and occurred unavoidably in the QKD system. Additionally, we examine the optimized values of core variables depending on various photon budgets. Meanwhile, we remind the dependencies and limitations of photon counting process to the reader.

Hazırla-ve-ölç ve dolanıklık-tabanlı kuantum anahtar dağıtımı (KAD) protokollerinin, anahtar bitleri elde etmek için kullanılan dedektörlerin yanıtlarındaki zaman farkından yararlanan bir zamanlama yan kanal saldırısına karşı savunmasız olduğu bilinmektedir. Bu yan kanal saldırısına karşı önerilen çözüm, yüksek çözünürlüklü zamanlama bilgisi yerine geniş bir zaman bölmesi kullanmaktır. Yaygın bir görüş, geniş bir zaman bölmesi kullanmanın, dedektörlerin yanıtlarının çözünürlüğünü azalttığı, dolayısıyla muhtemel bir saldırgana bilgi sızıntısını en aza indirdiği yönündedir. Bu çalışmada, zaman bölmesi genişliğini artırmanın, foton algılama zamanları ile anahtar bitleri arasında olan ortak bilgiyi ve dolayısıyla bir saldırgana sızabilecek bilgiyi monoton bir şekilde azaltmadığını gösteriyoruz. İkinci olarak, başka bir parametre keşfediyoruz ve ortak bilginin ona göre karakteristik davranışını gösteriyoruz. Üçüncü olarak, dedektörlerin yanıtlarının ortak bilgi üzerindeki etkisini inceliyoruz. Bu üç nokta ile ilgili tespitlerimiz tezin ana metninde bulunmalı ve olası bir saldırgana sızacak bilgiyi doğru tahmin edebilmek için dikkate alınmalıdır. Ek olarak, KAD teknolojilerinin çeşitli büyüklükteki kuruluşlar için kullanılabilir ve küresel ölçekte konuşlandırılabilir hale getirilmesi için veri aktarım kapasitelerinin geliştirilmesi üzerine büyük çabalar sarf edilmektedir. Ayrık-değişkenli, dolanıklık-tabanlı, Bell eşitsizliği üzerinden güvenlik kontrolü yapan KAD uygulamalarında ham anahtar oranını artırmak için bir yöntem öneriyoruz. Standartlaşmış bir E91 KAD sistemini ele alıyoruz. Yöntemimiz, kasıtlı olarak üretilen veya kaçınılmaz olarak meydana gelen farklı bit türleri arasında foton bütçe tahsisinin optimizasyonuna dayanıyor. Ayrıca, çeşitli foton bütçelerine bağlı olarak optimize edilmiş en önemli değişkenlerin değerlerini inceliyoruz. Bu arada, okuyucuya foton sayma işleminin bağımlı olduğu parametreleri ve limitlerini anımsatıyoruz.