CN104215328A - 单光子探测器强光致盲监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单光子探测器强光致盲监测装置，包括温控电路模块、PIN光电二极管、偏置电压设定模块和脉冲整形和报警信号产生模块；PIN光电二极管用于将攻击者发送的强光窄脉冲信号转换成窄脉冲电流，并输出和窄脉冲电流成正比例的窄脉冲电压；脉冲整形和报警信号电路用于将PIN光电二极管输出的窄脉冲电压转换成可被后续主控芯片识别的标准电平；偏置电压设定模块用于设置加在PIN光电二极管上的反向偏置电压。本发明还公开了一种单光子探测器强光致盲监测方法。本发明电路简单、成本低，当量子信道中出现强光攻击信号时，能立即监测到并向上位机发出报警信号，保证了量子密钥通信系统的绝对安全性。

Description

单光子探测器强光致盲监测装置及方法

 

技术领域

发明涉及量子密钥分配系统中针对“强光致盲”攻击的监测装置及方法，尤其涉及一种单光子探测器强光致盲监测装置及方法。

背景技术

量子密钥分配系统（QKD）利用量子力学基本原理来产生和发布密钥，保证分配的绝对安全。量子分配之所以能做到通信双方绝对安全的分配，原因之一是采用单光子携带信息，窃听者如果想得到信息，必须要截取这个携带信息的单光子，那么由丁Bob没有接收到这个光子，所以会通知Alice将该光子的信息抛弃。根据物理学波粒二象性的原理，单光子被测量时只能塌缩到一点，不可能被再分，所以窃听者不能通过分流的方法获取信息而不被通信双方所察觉。另外单光子携带的信息不能够被复制，对于窃听者而言，信道中传输的单光子的状态信息是不确定的，并且为了保证安全性，这个状态信息被Alice采用真随机的方法进行选择编码，所以当我们采用多个状态进行随机编码时，窃听者对于单光子的状态信息是未知的，量子力学的线性特性禁止未知量子态的精确克隆，那么，窃听者试图在不干扰信息的前提下进行复制或克隆单光子的状态信息是不可能做到。然而随着量子密钥通信的不断进步，攻击方案也越来越多，攻击者的眼光已不再集中于对光子信号的分流或者复制，而是试图直接攻击并控制携带信息的单光子的探测设备，即单光子探测器。该攻击方案就是 “强光致盲”单光子探测器，其原理是，首先，在量子通信信道中加入很强的直流光信号来攻击单光子探测器，使单光子探测器不能工作在雪崩状态，从而无法响应单光子信号，然后通过叠加在直流强光信号上的强光脉冲信号来控制单光子探测器电路的输出。强光致盲的结果就是攻击者可以完全控制单光子探测器的输出。这样攻击者就可以充当Alice随机地“发数据”给Bob。而Alice和Bob并不能发现收到的数据有何种异常，照样通过经典信道进行握手和对基等操作，攻击者只需再窃取经典信道的通信数据便能获得几乎所有的量子密钥信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种单光子探测器强光致盲监测装置及方法。当攻击者利用强光攻击单光子探测器时，本发明能立即监测到攻击信号，并立即通知系统停止数据的采集。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：单光子探测器强光致盲监测装置，包括温控电路模块、PIN光电二极管、偏置电压设定模块和脉冲整形和报警信号产生模块；所述偏置电压设定模块与PIN光电二极管电连接，PIN光电二极管与脉冲整形和报警信号产生模块电连接；所述温控电路模块用于加热或者制冷PIN光电二极管，所述PIN光电二极管用于将攻击者发送的强光窄脉冲信号转换成窄脉冲电流，并输出和窄脉冲电流成正比例的窄脉冲电压；所述脉冲整形和报警信号电路用于将PIN光电二极管输出的窄脉冲电压转换成可被后续主控芯片识别的标准电平；偏置电压设定模块用于设置加在PIN光电二极管上的反向偏置电压。

进一步的，所述温控电路模块使用TEC来加热或者制冷PIN光电二极管。

进一步的，所述温控电路模块包括热敏电阻、TEC和平衡电桥；所述将热敏电阻贴在PIN光电二极管上，用于来采集PIN光电二极管的实时温度；所述平衡电桥用于采集PIN光电二极管的温度变化并转化为相应的电压变化信号，所述电压变化信号用于控制TEC制冷或制热PIN光电二极管，形成一个闭环控温结构。而监测不到。

进一步的，所述脉冲整形和报警信号模块包括电平转换芯片、D触发器RC脉冲整形模块、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4；电阻R1连接在电平转换芯片和PIN光电二极管之间，电阻3也连接在电平转换芯片和PIN光电二极管之间；电平转换芯片与D触发器RC脉冲整形模块电连接；所述电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4均是端接电阻，用于对PIN光电二极管差分输出管脚的静态工作点进行平移，使PIN光电二极管直流工作点落入电平转换芯片输入端的工作电压区间内；所述D触发器RC脉冲整形模块通过D触发器利用RC延时对输入的窄脉冲进行整形，使得输出的报警信号宽度足够宽以致主控芯片监测的时候不会因为脉冲过窄。

为解决上述技术问题，本发明采取的另一技术方案为：一种采用上述的单光子探测器强光致盲监测装置的单光子探测器强光致盲监测方法，包括以下步骤：

光分流：在量子密钥通信系统的接收端引入光分流器将量子信号进行分支为两个支路，其中一个支路送入单光子探测器，另一个支路送入单光子探测器强光致盲监测装置;

强光检测：通过单光子探测器强光致盲监测装置进行强光致盲监测；

报警：所述单光子探测器强光致盲监测装置如果检测到强光攻击信号，则发出报警信号给系统控制中心。

本发明  在量子密钥设备的量子信道中引入光分流器，一路送入单光子探测器，另一路送入单光子探测器强光致盲监测装置。在量子密钥通信设备中加入一个强光致盲监测设备，一旦量子信道中出现强光攻击信号，能立即监测到，并向上位机发出报警信号。单光子探测器强光致盲监测装置采用普通的PIN光电二极管搭建强光监测电路，该强光监测电路是无法响应单光子这样弱的光信号的，因此不会影响正常通信时的单光子探测。但是一旦系统中出现强光攻击信号时该强光监测电路会立即响应并产生脉冲信号，上位机能立即监测到本单光子探测器强光致盲监测装置输出信号的变化，并及时停止量子密钥的分发。图1是本发明的强光致盲监测方法的方框图，本单光子探测器强光致盲监测装置是在量子密钥通信系统的接收端引入光分流器将量子信号进行分支，使其中一支信道用于强光致盲监测。图2是本单光子探测器强光致盲监测装置的结构方框图，使用普通PIN光电二极管作为攻击信号探测器件，其灵敏度可在一定范围内通过偏压设定电路来调节，以适应一定范围的强光攻击信号，其最小响应光强度为0.3nw左右，必要的时候可以引入温控装置给PIN光电二极管制冷以提高PIN光电二极管的灵敏度。

本单光子探测器强光致盲监测装置采用普通的PIN光电二极管，电路简单、成本低，当量子信道中出现强光攻击信号时，能立即监测到并向上位机发出报警信号。本单光子探测器强光致盲监测方法在量子密钥通信系统中引入光分流器并且首次提出了在量子密钥通信系统中加入单光子探测器强光致盲监测装置，用来预防外部强光攻击单光子探测器，保证了量子密钥通信系统的绝对安全性。

附图说明

图1是本发明的强光致盲监测方法的方框图。

图2是本单光子探测器强光致盲监测装置的结构方框图。

图3是脉冲整形和报警信号模块及其与PIN光电二极管的电路结构示意图。

图4是偏置电压设定模块的电路结构示意图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式

实施例1

参见图1和图2，本单光子探测器强光致盲监测装置，包括温控电路模块、PIN光电二极管、偏置电压设定模块和脉冲整形和报警信号产生模块；所述偏置电压设定模块与PIN光电二极管电连接，PIN光电二极管与脉冲整形和报警信号产生模块电连接；所述温控电路模块用于加热或者制冷PIN光电二极管，所述PIN光电二极管用于将攻击者发送的强光窄脉冲信号转换成窄脉冲电流，并输出和窄脉冲电流成正比例的窄脉冲电压；所述脉冲整形和报警信号电路用于将PIN光电二极管输出的窄脉冲电压转换成可被后续主控芯片识别的标准电平；偏置电压设定模块用于设置加在PIN光电二极管上的反向偏置电压。

作为优选方案，所述温控电路模块使用TEC来加热或者制冷PIN光电二极管。所述温控电路模块包括热敏电阻、TEC和平衡电桥；所述将热敏电阻贴在PIN光电二极管上，用于来采集PIN光电二极管的实时温度；所述平衡电桥用于采集PIN光电二极管的温度变化并转化为相应的电压变化信号，所述电压变化信号用于控制TEC制冷或制热PIN光电二极管，形成一个闭环控温结构。而监测不到。

所述脉冲整形和报警信号模块包括电平转换芯片、D触发器RC脉冲整形模块、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4；电阻R1连接在电平转换芯片和PIN光电二极管之间，电阻3也连接在电平转换芯片和PIN光电二极管之间；电平转换芯片与D触发器RC脉冲整形模块电连接；所述电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4均是端接电阻，用于对PIN光电二极管差分输出管脚的静态工作点进行平移，使PIN光电二极管直流工作点落入电平转换芯片输入端的工作电压区间内；所述D触发器RC脉冲整形模块通过D触发器利用RC延时对输入的窄脉冲进行整形，使得输出的报警信号宽度足够宽以致主控芯片监测的时候不会因为脉冲过窄。

参见图3，本单光子探测器强光致盲监测装置将PIN输出的非标准的、幅度较小的脉冲电压转换成可被后续主控芯片识别的标准电平。其中R1，R2，R3，R4是端接电阻，其作用是对PIN光电二极管差分输出管脚的静态工作点进行平移，使其直流工作点落入电平转换芯片输入端的工作电压区间内。D触发器利用RC延时对输入的窄脉冲进行整形，使得输出的报警信号宽度足够宽以致主控芯片监测的时候不会因为脉冲过窄而监测不到。

参见图4，其中U6是升压型开关芯片，由于PIN光电二极管消耗的电流非常小，为纳安级。因此这里选用电容倍压电路。VDD是开关电源的供电电压，D1、D2、D3、C3、C4、C5组成电容二极管倍压结构。VPIN是开关电源的输出电压，该电压加在PIN的反向输入端，作为其偏置电压。光强监测装置在出厂时针对不同的PIN会单独设置加在PIN光电二极管上的反向偏置电压，使得每个PIN光电二极管的响应灵敏度达到一致。这里设定反向偏置电压时，只需改变R2或者R3的电阻值大小就可以了。

温控电路模块使用现有的比较通用的温控电路，使用TEC来加热或者制冷PIN光电二极管。控制PIN光电二极管温度的整体结构是：首先将热敏电阻贴在PIN光电二极管上来采集PIN光电二极管的实时温度，然后通过平衡电桥采集PIN光电二极管的温度变化并转化为相应的电压变化信号，通过该电压信号来控制TEC制冷或制热PIN光电二极管，整体形成一个闭环控温结构。

实施例2

参见图1，本单光子探测器强光致盲监测方法，包括以下步骤：

光分流：在量子密钥通信系统的接收端引入光分流器将量子信号进行分支为两个支路，其中一个支路送入单光子探测器，另一个支路送入单光子探测器强光致盲监测装置;所述单光子探测器强光致盲监测装置与实施例1相同，不再详述。

强光检测：通过单光子探测器强光致盲监测装置进行强光致盲监测；

报警：所述单光子探测器强光致盲监测装置如果检测到强光攻击信号，则发出报警信号给系统控制中心。

Claims (5)

1.一种单光子探测器强光致盲监测装置，其特征在于：包括温控电路模块、PIN光电二极管、偏置电压设定模块和脉冲整形和报警信号产生模块；所述偏置电压设定模块与PIN光电二极管电连接，PIN光电二极管与脉冲整形和报警信号产生模块电连接；所述温控电路模块用于加热或者制冷PIN光电二极管，所述PIN光电二极管用于将攻击者发送的强光窄脉冲信号转换成窄脉冲电流，并输出和窄脉冲电流成正比例的窄脉冲电压；所述脉冲整形和报警信号电路用于将PIN光电二极管输出的窄脉冲电压转换成可被后续主控芯片识别的标准电平；偏置电压设定模块用于设置加在PIN光电二极管上的反向偏置电压。

2.根据权利要求1所述的单光子探测器强光致盲监测装置，其特征在于：所述温控电路模块使用TEC来加热或者制冷PIN光电二极管。

3.根据权利要求2所述的单光子探测器强光致盲监测装置，其特征在于：所述温控电路模块包括热敏电阻、TEC和平衡电桥；所述将热敏电阻贴在PIN光电二极管上，用于来采集PIN光电二极管的实时温度；所述平衡电桥用于采集PIN光电二极管的温度变化并转化为相应的电压变化信号，所述电压变化信号用于控制TEC制冷或制热PIN光电二极管，形成一个闭环控温结构。

4.根据权利要求3所述的单光子探测器强光致盲监测装置，其特征在于：所述脉冲整形和报警信号模块包括电平转换芯片、D触发器RC脉冲整形模块、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4；电阻R1连接在电平转换芯片和PIN光电二极管之间，电阻3也连接在电平转换芯片和PIN光电二极管之间；电平转换芯片与D触发器RC脉冲整形模块电连接；

所述电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4均是端接电阻，用于对PIN光电二极管差分输出管脚的静态工作点进行平移，使PIN光电二极管直流工作点落入电平转换芯片输入端的工作电压区间内；所述D触发器RC脉冲整形模块通过D触发器利用RC延时对输入的窄脉冲进行整形，使得输出的报警信号宽度足够宽以致主控芯片监测的时候不会因为脉冲过窄。

5.一种采用权利要求1或2或3所述的所述单光子探测器强光致盲监测装置的单光子探测器强光致盲监测方法，包括以下步骤：

光分流：在量子密钥通信系统的接收端引入光分流器将量子信号进行分支为两个支路，其中一个支路送入单光子探测器，另一个支路送入单光子探测器强光致盲监测装置;

强光检测：通过单光子探测器强光致盲监测装置进行强光致盲监测；

报警：所述单光子探测器强光致盲监测装置如果检测到强光攻击信号，则发出报警信号给系统控制中心。