Kuantum anahtar dağıtım sistemlerinde verimli bilgi uzlaştırma için optimum CASCADE protokolü
Optimum CASCADE protocol for efficient information reconciliation in quantum key distribution systems
Yazar: METİN TOYRAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI ÖZTÜRK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
CASCADE protokolü ilk defa kuantum anahtar dağıtım (KAD) sistemlerinde kullanılmak uzere önerilmiş olan bir hata sezme ve düzeltme (HSD) tekniğidir. CASCADE protokolünde HSD işlemi gizli anahtar ile ilgili olan ilave bilgiler göndererek yapılmaktadır. Ancak, protokol ham mesajın gürültülü bir kuantum kanaldan gönderilmesiyle başlar ve ilave bilgiler kuantum kanal yerine gürültüsüz ve kimlik doğrulamalı klasik bir kanaldan gönderilmektedir.
KAD literatüründe, bu şekilde işletilen HSD yöntemine bilgi uzlaştırma (BU) ya da gizli anahtar uzlaştırma (GAU) adı verilir. KAD'da kullanılan bir BU protokolü için, temel performans ölçütlerinden bir tanesi başarılı bir HSD için gönderilmesi gereken ilave bilgi miktarını temsil eden verimlilik kavramıdır. Bu ilave bilgiler açık bir kanaldan gönderildiği için herkes kolayca ele geçirebilir. Gizli anahtar gönderici ve alıcı dışındaki diğer tüm şahıslardan gizli tutulmalıdır. Gönderilen ilave bilgiler gizli anahtarın içeriği ile ilgili bilgi açığa çıkaracağı için olabildiğince az sayıda ilave bilgi göndermek gerekmektedir. Bu nedenle, mümkün olan en az bilgi gönderimi yapan, diğer bir deyişle daha verimli BU tekniklerine ihtiyaç duyulmaktadır.
Söz konusu protokol kapsamlı bir şekilde analiz edildiğinde geliştirmeye açık noktalar bulunmaktadır. Bunlardan en önemlileri: tamamen bilinen bitler (TBB) ve paritesi bilinen bloklar (PBB)'dir. Bu çalışmada, geliştirmeye açık bu noktalar kullanılarak CASCADE protokolünün daha verimli gerçeklemeleri sunulmaktadır. Yapmış olduğumuz deneyler sonucunda, sunduğumuz Optimum CASCADE protokolünün literatürdeki bütün CASCADE protokollerinden ve diğer birçok BU tekniğinden daha iyi sonuçlar verdiği görülmüştür. Her bir iyileştirmenin protokolün hızında ne gibi bir etkiye sebep olduğu da bu tez çalışmasında ele alınmıştır.

Anahtar kelimeler: Kuantum anahtar dağıtımı (KAD), gizli anahtar uzlaştırma(GAU), bilgi uzlaştırma (BU), CASCADE protokolü

Abstract:
CASCADE protocol is an error detection and correction (EDC) method proposed firstly for use in quantum key distribution (QKD) systems. It is used to detect and correct all the errors in the keys transmitted over a noisy quantum channel. Also in CASCADE, this is done by sending some redundant information about the key to the receiver as usual. However, just as differently, this extra information is sent over another noiseless classical channel after the quantum transmission is completely finished. Briefly, all the errors in the noisy quantum communication are detected and corrected by a later another noiseless classical communication using the CASCADE protocol. 
In QKD literature, this EDC process is also called as information reconciliation (IR) or secret key reconciliation (SKR). For an IR protocol in QKD, one of the main performance measures is efficiency which depends on the amount of the redundant information sent to make the EDC possible. Since this extra information is transmitted over public channels, everyone can get it easily. Because this can damage the secrecy of the keys that must be kept secret from the third parties, more efficient, that is revealing less information about the keys, IR methods are needed. 
In this work, we present more efficient implementations of CASCADE protocol, using some inherent information already available in the protocol, exactly known bits and already known parities. Our experiments have shown that our presented protocols are of higher efficiency than both all the previous CASCADE versions and several other more recently proposed IR methods. The effect of each efficiency improvement on the protocol throughput is also analyzed in this work.

Key words: Quantum key distribution (QKD), secret key reconciliation (SKR), information reconciliation (IR), CASCADE protocol