高速量子密钥分配系统单光子探测器漏洞挖掘方法研究

发布时间：2020-09-28 14:09

　　量子密钥分配(quantum key distribution,QKD)是量子保密通信的重要组成部分,理论上可以为通信双方提供无条件安全的密钥分发,量子力学基本原理保证了QKD的理论安全性。然而,在实际应用中,实际器件与理论模型总是存在一定的差距,这种不完美性给QKD系统带来了各种各样的安全隐患,其中单光子探测器(single photon detector,SPD)的实际安全性尤为重要,且是目前制约QKD安全码率的主要因素。本文围绕高速量子密钥分配系统中单光子探测器的实际安全性,针对目前高速QKD系统中已经投入使用的两种单光子探测器——正弦门控滤波型高速单光子探测器(SG-SPD)和超导纳米线单光子探测器(SNSPD)展开漏洞挖掘方法研究,主要成果如下:1.正弦门控滤波型单光子探测器滤波漏洞挖掘原理分析。正弦门控滤波型单光子探测器时钟频率可达GHz量级,是目前高速QKD系统常用的单光子探测器之一,针对它的实际安全性分析和漏洞挖掘方法研究还不充分。首先,我们通过开展SG-SPD工作原理与参数特性分析,从SG-SPD系统探测效率、后脉冲、计数率的数学模型出发,建立实际条件下对应的参数模型,从中查找出SG-SPD在噪声抑制模块产生的滤波漏洞;进而,我们对SG-SPD中的雪崩信号、门控噪声抑制等核心元素建立数学模型,并在Matlab中对SG-SPD探测过程进行仿真分析。仿真结果显示,SG-SPD的噪声抑制模块对趋于周期化的雪崩信号有明显滤除作用,即SG-SPD存在滤波漏洞可被强光致盲。2.正弦门控滤波型单光子探测器滤波漏洞挖掘实验。基于SG-SPD漏洞挖掘原理,我们设计SG-SPD滤波漏洞挖掘实验方案,并利用正弦门控滤波型单光子探测器、时钟与同步系统、皮秒脉冲激光器三个模块构建了SG-SPD滤波漏洞挖掘实验平台;其次,我们在该平台上开展SG-SPD漏洞挖掘实验,通过使用强光致盲SG-SPD,使其计数率降低至暗计数水平,进一步,通过添加不同于SG-SPD门控频率的控制光,实现了对SG-SPD的控制;最后,针对SG-SPD对控制光的响应呈现超线性特性这一现象,我们分析了SG-SPD滤波漏洞在实际QKD系统中可能导致的攻击,并给出了针对该滤波漏洞的解决方案。3.超导纳米线单光子探测器死时间漏洞挖掘原理分析。SNSPD以高时间分辨率、高探测效率、低暗计数率、低时间抖动等优异综合性能,近些年来受到越来越多的关注,但是针对SNSPD的实际安全性分析和漏洞挖掘方法研究还不充分。首先,我们通过开展SNSPD的工作原理与参数特性分析,从SNSPD的系统探测效率模型、电热模型与纳米线动态电感模型出发,建立实际条件下对应的参数模型;进一步,通过研究SNSPD死时间内的参数变化,分析SNSPD电阻、温度、偏置电流之间的关系,我们发现了SNSPD在死时间内对强光仍然会产生响应,从而挖掘出SNSPD死时间漏洞;最后,我们给出了实验上实现SNSPD死时间漏洞挖掘的思路。4.超导纳米线单光子探测器死时间漏洞挖掘实验。首先,基于SNSPD死时间漏洞挖掘原理,针对SNSPD死时间内可以响应强光这一安全漏洞,我们设计SNSPD单光子探测平台,并通过测试SNSPD死时间内的响应特性,在实验中证明SNSPD在死时间内可以响应强光。然后,通过分析实验结果,我们发现,在72光子/脉冲的弱触发脉冲下,SNSPD对控制光的响应呈现出超线性特性,这种超线性特性可以被攻击者Eve利用获取密钥。最后,以相位编码的QKD系统为例,我们分析了Eve利用SNSPD死时间漏洞进行截取重发攻击并获取密钥的过程。
【学位单位】：战略支援部队信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN918;O413
【部分图文】：

示意图,干涉仪,示意图

战略支援部队信息工程大学硕士学位论文图 2.1 QKD 偏振编码示意图单，容易控制，但是偏振方向易受环境影响，一般效应和双折射效应比较微弱，光子的偏振态受影空间的信道传输适合使用偏振编码。用光的相位编码信息，量子保密通信中的相位调der，M-Z）干涉仪来实现的。干涉仪的示意图，M-Z 干涉仪有两条臂，每条臂，如果 M-Z 干涉仪的两条臂臂长相等，则称为 M束光通过 M-Z 干涉仪时存在光程差，称为 M-Z说，受环境条件影响，两条臂很难做到完全等长，条臂不完全相等，干涉效果就会变差，因此在系好的干涉效果。

示意图,相位编码,示意图

图 2.3 QKD 相位编码示意图实际 QKD 系统中，图 2.3 所示的单等臂干涉仪相位编码 QKD 系统受环境影响严法长距离传输，实际中常采用双不等臂 M-Z 干涉仪增强系统稳定性，并实现抗干扰性定程度高的相位编码。2 QKD 系统中的单光子探测器在量子保密通信领域，实现安全稳定和实时高码率是量子密钥分配（QKD）的两大目标，而目前来说，QKD 码率的主要制约因素依然是单光子探测器(single phtector/detection, SPD)。本节对 QKD 中常用单光子探测器的种类及性能指标作出简要。2.1 单光子探测器性能指标目前，实际 QKD 系统大多使用单光子作为信息载体，因此单光子探测对 QKD 实际性非常重要，单光子探测器的性能和安全关系着整个 QKD 系统的性能与安全。现代 Q统需要高速、高探测效率的单光子探测器，在这一点上，基于光电倍增管[38]和硅雪崩二极管[39]的单光子探测器虽然已经发展成熟，但重复频率低且仅能工作在可见光或紫

载流子,光子,增益因子,吸收层

第二章基础知识时电信号和入射光强度成线性关系，APD 的增益因子不能满足单光子探测需下，APD 两端的电压超过其击穿电压，APD 发生自持雪崩，增益因子接近无APD 的吸收层可以吸收能量微弱的单光子产生载流子，在电场作用下，高能层的价带电子碰撞产生新的载流子，以此类推，雪崩效应可以放大微弱的电探测的电流。由于不管是单个光子还是多个光子，其最终引起的雪崩电流不，所以 InGaAS/InP 高速单光子探测器不具有光子数分辨能力。图 2.4s/InP-APD 的基本结构，其中 APD 各层作用如下： InGaAs 层：吸收层，用于吸收光子，把光子转换成为载流子，该层的厚度会收效率。异质过渡层：避免载流子积累使其进入倍增层。电场调控层：调节电场强度，在微弱电流下实现高的雪崩增益。 InP 层：倍增层，将以上产生的载流子进行雪崩放大，InP 层如果太厚，后脉，InP 层的缺陷与杂质就是后脉冲的主要来源。

【参考文献】