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

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.