量子保密通信關(guān)鍵器件研制及攻防研究.pdf

1、量子保密通信是量子物理、電子科學(xué)、信息科學(xué)和密碼學(xué)等多學(xué)科交叉融合的跨學(xué)科研究領(lǐng)域。其中量子密鑰分發(fā)（quantum key distribution, QKD）是量子保密通信的重要組成部分，理論上它可以為用戶提供無(wú)條件安全的保密通信，其安全性由量子力學(xué)基本原理保證。經(jīng)過(guò)科學(xué)家三十多年的努力，QKD不論在理論上還是在實(shí)驗(yàn)上都取得了快速發(fā)展，目前已經(jīng)開(kāi)始向?qū)嵱没l(fā)展。然而，QKD的實(shí)用化需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是關(guān)鍵器件，二是安全性。開(kāi)展這兩

2、個(gè)方面的研究，對(duì)于推進(jìn)QKD的實(shí)用化具有促進(jìn)作用。
　　關(guān)鍵器件是量子保密通信的前提，不論是成熟的BB84協(xié)議還是新的測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)QKD協(xié)議（Measurement device independent quantum key distribution，MDI-QKD），離開(kāi)了關(guān)鍵器件的支撐都無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。另外，關(guān)鍵器件也是深入開(kāi)展安全性研究的條件，由于在QKD理論安全性的討論中，對(duì)攻擊者沒(méi)有任何限制，因此要想開(kāi)展QKD現(xiàn)實(shí)安全

3、性的研究，就必須模擬攻擊者的行為，這就要求對(duì)關(guān)鍵器件有深入了解，還要求不斷改進(jìn)器件性能。量子保密通信關(guān)鍵器件主要是單光子源和單光子探測(cè)器（single photon detector, SPD)。
　　安全性是量子保密通信技術(shù)研究的最終落腳點(diǎn)，離開(kāi)安全性，QKD就失去了研究意義。目前在一些假設(shè)條件下，QKD在理論上的無(wú)條件安全性已經(jīng)得到證明，但實(shí)際QKD系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)安全性仍然有待研究。一方面實(shí)際QKD系統(tǒng)總是存在一定的非完美性，而另

4、一方面實(shí)際QKD系統(tǒng)中的任何不完美性都有可能被攻擊者用于竊取密鑰信息而不被發(fā)現(xiàn)。因此查找實(shí)際系統(tǒng)中可能存在的不完美性并研究它們可能導(dǎo)致的安全性問(wèn)題，對(duì)提高QKD的安全性具有十分重要的意義。
　　本文開(kāi)展量子保密通信關(guān)鍵器件研制及其攻防研究，主要完成了以下幾個(gè)方面的工作：
　　1.開(kāi)展了基于InGaAs/InP雪崩光電二極管（InGaAs/InP-APD）高速近紅外單光子探測(cè)器的研制，先后完成了200MHz和1GHz時(shí)鐘頻率正

5、弦門控濾波單光子探測(cè)器、215MHz和1GHz時(shí)鐘頻率自差分單光子探測(cè)器、1GHz時(shí)鐘頻率脈沖門控濾波單光子探測(cè)器。創(chuàng)新點(diǎn)在于：不管是正弦門控濾波單光子探測(cè)器還是自差分單光子探測(cè)器，我們都對(duì)原有的噪聲抑制方案進(jìn)行了改進(jìn)，提高了實(shí)用性，其中基于損耗匹配自差分平衡技術(shù)的高速近紅外單光子探測(cè)器提交了專利申請(qǐng)；另外，我們?cè)O(shè)計(jì)的脈沖門控濾波型高速單光子探測(cè)器采用的是全新的噪聲抑制方案，不僅能保證高速InGaAs近紅外單光子探測(cè)器的性能指標(biāo)，更重要

6、的是還提高了穩(wěn)定性和實(shí)用性。性能指標(biāo)方面與目前公開(kāi)發(fā)表的研究結(jié)果基本處于同一水平，如1GHz時(shí)鐘頻率脈沖門控濾波型高速單光子探測(cè)器在11％探測(cè)效率下暗計(jì)數(shù)為2.04×10?5每脈沖，設(shè)置9ns死時(shí)間的情況下后脈沖概率僅1%。穩(wěn)定性和實(shí)用性方面優(yōu)于目前公開(kāi)發(fā)表的研究結(jié)果，如脈沖門控濾波型高速單光子探測(cè)器僅采用濾波實(shí)現(xiàn)大于50dB的噪聲抑制比，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改變系統(tǒng)環(huán)境溫度不會(huì)降低噪聲抑制比，更換不同批次甚至不同型號(hào)的InGaAs-APD也

7、不會(huì)降低噪聲抑制比。
　　2.開(kāi)展了量子保密通信準(zhǔn)單光子源的研究。一方面我們研制了高速窄脈沖激光器，它在重復(fù)頻率、脈沖寬度、3dB線寬、波長(zhǎng)穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性等方面均可滿足量子保密通信研究的多種應(yīng)用需求，不僅可以用在基于BB84協(xié)議的量子保密通信系統(tǒng)中，還可以用于高速單光子探測(cè)器研制和量子保密通信攻防研究等方面。另一方面，我們研制了用于MDI-QKD的脈沖激光器，我們采用高斯波形的驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)激光器，使輸出光脈沖也為高斯波形，同時(shí)

8、通過(guò)高精度溫控實(shí)現(xiàn)高精度的波長(zhǎng)設(shè)置，使兩個(gè)獨(dú)立脈沖激光器在干涉處滿足波長(zhǎng)一致性和時(shí)序一致性。測(cè)試表明，我們研制的兩個(gè)獨(dú)立脈沖激光器的干涉效果很好，Hong-Ou-Mandel干涉度與理論值很接近，且長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性好，目前已經(jīng)用于搭建MDI-QKD系統(tǒng)。
　　3.由于單光子源被弱相干光脈沖所替代并廣泛用于實(shí)際QKD系統(tǒng)，若不采用誘騙態(tài)方法，Eve可以實(shí)施光子數(shù)分離攻擊（PNS）來(lái)竊取所有密鑰信息并且不引入任何干擾。然而，在某些情況下，

9、誘騙態(tài)方法在關(guān)閉多光子脈沖漏洞并抵御PNS攻擊的同時(shí)，它自身又會(huì)引入新的漏洞。本文研究并發(fā)現(xiàn)了誘騙態(tài)即插即用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的一個(gè)致命漏洞：即通過(guò)改變光脈沖時(shí)序可使誘騙態(tài)調(diào)制引入頻率側(cè)信道，由此提出了針對(duì)該系統(tǒng)的波長(zhǎng)選擇光子數(shù)分離攻擊（WSPNS）。理論分析顯示，利用該攻擊竊聽(tīng)者可以獲得合法通信雙方的所有密鑰信息，就像PNS攻擊在沒(méi)有使用誘騙態(tài)方法的即插即用QKD系統(tǒng)所達(dá)到的目的一樣。該工作被美國(guó)物理評(píng)論編輯部邀請(qǐng)撰寫新聞稿。
　

10、　4.為了不被合法通信雙方發(fā)現(xiàn)，Eve攻擊QKD系統(tǒng)時(shí)不應(yīng)引入可探測(cè)的量子比特誤碼率（QBER），因?yàn)楦鶕?jù)QBER，Alice和Bob可以判斷并估計(jì)Eve所竊取的密鑰信息量。本文針對(duì)相位編碼的BB84即插即用系統(tǒng)提出了一種頻移攻擊方案：Eve通過(guò)改變光脈沖時(shí)序可使相位調(diào)制引入頻率側(cè)信道，進(jìn)而基于波分復(fù)用技術(shù)區(qū)分四個(gè)編碼相位，獲取密鑰信息。頻移攻擊最大優(yōu)點(diǎn)是既可以獲得全部編碼信息，又不引入可探測(cè)的QBER。
　　5.高速自差分單光子

11、探測(cè)器（SD-SPD）正被廣泛而深入地研究，并且已被應(yīng)用于Mbit/s安全碼率的高速Q(mào)KD系統(tǒng)、高性能量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生和長(zhǎng)距離糾纏分發(fā)。但是，SD-SPD的這些應(yīng)用將受限于它的內(nèi)在漏洞。本文首次分析并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了SD-SPD自身的工作原理將導(dǎo)致內(nèi)在非完美性，當(dāng)入射光達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，SD-SPD相鄰門控脈沖中都會(huì)產(chǎn)生幅度非常接近的雪崩信號(hào)，此時(shí)雪崩信號(hào)也跟APD容性噪聲一樣被自差分抵消，使SD-SPD被致盲。Eve可以利用這一內(nèi)在非完美性