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Practical quantum weak coin flipping based on a GHZ game
Anton Lu
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Philip Walther
Mitbetreuer*in
Mathieu Bozzio
DOI
10.25365/thesis.80941
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15088.08612.369017-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Weak Coin-Flipping ist ein fundamentales kryptographisches Primitive. Bei einem Weak Coin Flipping-Protokoll versuchen zwei gegenseitig misstrauische Parteien, sich auf das Ergebnis eines Münzwurfs zu einigen, wobei beide Parteien jeweils entgegengesetzte Ergebnisse bevorzugen. Ein gut konstruiertes Weak Coin Flipping-Protokoll gewährleistet Fairness, Korrektheit und geringe Bias. Fairness bedeutet, dass beide ehrlichen Parteien die gleiche Gewinnchance haben; Korrektheit garantiert, dass das Protokoll nicht abbricht, wenn beide Parteien ehrlich agieren; und ein geringer Bias stellt sicher, dass eine betrügerische Partei das Ergebnis nicht wesentlich zu ihrem Vorteil beeinflussen kann. In klassischen Szenarien ist es bekannt, dass ein Null-Bias-Protokoll nicht möglich ist [ NST15]. Quanten Weak Coin Flipping-Protokolle hingegen können beliebig kleinen Bias erreichen und zeigen damit einen Vorteil gegenüber klassischen Protokollen [Moc07 ]. In dieser Arbeit stellen wir ein neues Quanten-Weak-Coin-Flipping-Protokoll vor, dessen Sicherheit auf dem GHZ-Game basiert, und präsentieren eine verlusttolerante Version, die für die praktische Umsetzung geeignet ist. Das Protokoll wird experimentell mittels Hyper-Encoding von Polarisation und Spatial Qubits auf verschränkten 1550 nm-Photonen realisiert, die durch Typ-II Spontaneous Parametric Down-Conversion erzeugt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen die Machbarkeit der sicheren, verlusttoleranten Implementierung eines Weak Coin Flipping-Protokolls unter realistischen experimentellen Bedingungen. Darüber hinaus liefert diese Arbeit eine solide Grundlage für zukünftige Erweiterungen, beispielsweise hin zu einem Leader Election-Protokoll.
Abstract
(Englisch)
Weak coin flipping is a fundamental cryptographic primitive. In a weak coin flipping protocol, two mutually distrustful parties attempt to agree on the outcome of a coin toss, where both parties desire opposite outcomes. A well-designed weak coin flipping protocol ensures fairness, correctness, and low bias. Fairness means that both honest players have an equal chance of winning; correctness guarantees that the protocol does not abort if both players are honest; and low bias ensures that a cheating player cannot significantly influence the outcome to their advantage. In classical settings, it is known to be impossible to achieve zero bias in such protocols [NST15]. However, quantum weak coin flipping protocols can achieve arbitrarily small bias, demonstrating an advantage over classical protocols [Moc07]. In this thesis, we introduce a new quantum weak coin flipping protocol whose security is based on the GHZ game and present a loss-tolerant version suitable for practical implementation. The protocol is experimentally realized using hyper-encoding of polarization and spatial qubits on entangled 1550 nm photons generated via type-II spontaneous parametric down-conversion. The experimental results demonstrate the feasibility of implementing a secure, loss-tolerant weak coin flipping protocol under realistic experimental conditions. This thesis also provides a strong framework for future extensions into a leader election protocol.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quanteninformation Quantenoptik
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum Information Quantum Optics Quantum Cryptography
Autor*innen
Anton Lu
Haupttitel (Englisch)
Practical quantum weak coin flipping based on a GHZ game
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
viii, 67 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Philip Walther
Klassifikation
33 Physik > 33.23 Quantenphysik
AC Nummer
AC17843530
Utheses ID
79984
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |