CN116723054A - 抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及量子密钥分配，具体涉及抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，在相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内设置用于在传输模式下随机调制0、、、相位的相位调制单元；改进后的相位编码量子密钥分配系统进入校准模式，通过记录接收端解码装置内单光子探测器处干涉峰所在延时值的位置，评估是否存在攻击者Eve；若在校准模式下未发现攻击者Eve，则改进后的相位编码量子密钥分配系统进入传输模式，通过获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve；本发明提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的适用范围较窄、结构复杂、成本较高的缺陷。

Description

抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法

技术领域

本发明涉及量子密钥分配，具体涉及抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法。

背景技术

现代社会对于信息安全的需求日益增长，能够确保用户进行安全通信的密码学愈加重要。根据其安全性基础，密码学可以分为经典密码学和量子密码学。经典密码学利用数学复杂性来确保安全性，量子密码学的安全性则基于量子力学的基本原理。量子密钥分配（Quantum Key Distribution,QKD）是量子密码学的核心内容，它解决了如何安全分配密钥的难题，配合“一次一密”（One-Time Pad）的加密方法，能够为信息传输提供无条件安全保证。

安全是QKD系统立足的根本，但在实际系统中，由于设备的不完美性，实际器件的特性与理想协议中要求的模型往往存在一定程度的差异，这种差异成为实际系统中不安全因素的重要来源之一。实际器件的非理想特性带来了各种各样的安全性漏洞，在诸多安全性漏洞中，探测端安全性漏洞最为严重。光纤系统是QKD系统的重要组成部分，研究者针对光纤QKD系统的探测端漏洞提出了诸多攻击方法，包括伪态攻击（faked state attack）、时移攻击（time shift attack）、死时间攻击（dead time attack），以及强光致盲攻击（SPDblinding attack）等。

探测器效率失配漏洞是探测端的其中一个漏洞，有学者利用ID Quantique公司的一款商用系统中探测器自带的探测效率失配漏洞，以4%的概率采用时移攻击窃取到信息，这里探测器失配的时域偏差来源于其系统自身的不完美性，并且在整个系统运行过程中发生的概率较低（4%），同时不受攻击者Eve端控制（参见文献Y. Zhao, C.-H. F. Fung, B.Qi, C. Chen, and H.-K. Lo, Quantum hacking: Experimental demonstration oftime-shift attack against practical quantum-key-distribution systems, Phys.Rev. A 78, 042333 (2008)）。

此后，研究者在ID Quantique公司的双向QKD系统Clavis2中利用校准过程的漏洞，人为引入了约450ps的探测效率失配漏洞，这个漏洞是通过攻击者Eve主动引入的，并且受攻击者Eve主动控制（参见文献：Jain N ,Wittmann C , Lydersen L ,et al .Devicecalibration impacts security of quantum key distribution. Physical ReviewLetters ,2011 ,107(11):110501）。因此，该漏洞后续能够被攻击者Eve利用实施时移攻击或伪态攻击，如果探测效率失配性很大，攻击者则能够在向QKD系统引入较小误码的情况下窃取全部密钥。

为了抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞，现有技术中也提出了一些解决方案，比如文献（Jain N ,Wittmann C ,Lydersen L ,et al .Device calibration impactssecurity of quantum key distribution. Physical Review Letters ,2011 ,107(11):110501）中针对双向QKD系统Clavis2的校准过程中接收端只能调制相位改为随机调制0、/>相位；也有提出在探测端设置自动校准单光子探测器位置的校准系统，这样可以避免校准光通过量子信道从而可能引入攻击者Eve的攻击。

然而，上述措施要么是针对特定的双向相位编码量子密钥分配系统，而现实生活中更应用更为广泛的则是发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统；要么需要在QKD系统接收端额外增加一整套校准装置，导致系统结构复杂，成本较高，不利于大规模部署。

发明内容

针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，能够有效克服现有技术所存在的适用范围较窄、结构复杂、成本较高的缺陷。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，在相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内设置用于在传输模式下随机调制0、、/>、/>相位的相位调制单元；

改进后的相位编码量子密钥分配系统进入校准模式，通过记录接收端解码装置内单光子探测器处干涉峰所在延时值的位置，评估是否存在攻击者Eve；

若在校准模式下未发现攻击者Eve，则改进后的相位编码量子密钥分配系统进入传输模式，通过获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve。

优选地，所述相位编码量子密钥分配系统包括发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统和双向相位编码量子密钥分配系统；

所述发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统包括通过隔离木马光的隔离器ISO、量子信道Channel相连的发送端、接收端，所述发送端包括编码装置、脉冲激光器LD和衰减器ATT，所述编码装置包括由光分束器BS1、相位调制器PM1、法拉第反射镜FM1和法拉第反射镜FM2组成的法拉第-迈克尔逊干涉环；

所述接收端包括解码装置、环形器CIR、单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1，所述解码装置包括由光分束器BS2、相位调制器PM2、法拉第反射镜FM3和法拉第反射镜FM4组成的法拉第-迈克尔逊干涉环；

其中，发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统进行量子密钥分发时，相位调制器PM1每个周期随机调制0、、/>、/>相位，相位调制器PM2每个周期随机调制0、/>相位。

优选地，所述在相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内设置用于在传输模式下随机调制0、、/>、/>相位的相位调制单元，包括：

在发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内增加与相位调制器PM2级联的相位调制器PM3。

优选地，所述改进后的相位编码量子密钥分配系统进入校准模式，通过记录接收端解码装置内单光子探测器处干涉峰所在延时值的位置，评估是否存在攻击者Eve，包括：

S1、发送端发送光脉冲，当光脉冲到达接收端两个单光子探测器的开门时刻，扫描接收端两个单光子探测器的延时值，并记录每个具有计数的延时值；

S2、针对每个具有计数的延时值，固定发送端或接收端的相位调制器的电压值，扫描另外一端相位调制器的电压值，记录两个单光子探测器的计数值，若出现正弦或余弦曲线，则该延时值为干涉峰；

S3、重复S1、S2，并分别记录下两个单光子探测器处所有干涉峰所在延时值的位置、/>；

S4、评估是否存在攻击者Eve；

其中，在校准模式下，发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统进行量子密钥分发时，相位调制器PM2每个周期随机调制相位，/>，/>，M为正整数，/>；相位调制器PM3每个周期随机调制/>相位，。

优选地，S4中评估是否存在攻击者Eve，包括：

若出现或/>或/>时，则判定存在攻击者Eve；否则判定不存在攻击者Eve，系统进入传输模式；

其中，为安全阈值，由两个单光子探测器的探测效率曲线和系统时钟抖动决定，一般约定/>；

上式中，分别为单光子探测器SPD0、单光子探测器SPD1在时间域上的探测效率曲线，/>、/>分别表示在t时刻取最小值、最大值；

表示在/>条件下，即在安全阈值内没有发生探测效率失配漏洞时，单光子探测器SPD1探测效率最高点对应的延时值；/>表示在条件下，即在安全阈值内没有发生探测效率失配漏洞时，单光子探测器SPD0探测效率最高点对应的延时值。

优选地，所述若在校准模式下未发现攻击者Eve，则改进后的相位编码量子密钥分配系统进入传输模式，通过获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve，包括：

S1、发送端发送光脉冲，相位调制器PM1随机调制0、、/>、/>相位，经过衰减器ATT后衰减为单光子级别脉冲，经过隔离器ISO后输出至量子信道Channel中；

S2、光脉冲进入接收端，相位调制器PM2随机调制0、相位，而增加的相位调制器PM3随机调制0、/>相位，接收端两个相位调制器两两组合相加得到四种随机调制相位0、/>、、/>；

S3、干涉脉冲的结果分别在单光子探测器SPD0、单光子探测器SPD1中进行探测，此后发射端和接收端进行对基，保留相同选基且探测到的部分，发送端和接收端将0、对应转换为比特0，/>、/>对应转换为比特1；

S4、系统获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve。

优选地，S4中系统获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve，包括：

若误码率超过系统阈值，则判定存在攻击者Eve；否则判定不存在攻击者Eve。

与现有技术相比，本发明所提供的抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，具有以下有益效果：

1）既能够用于发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统，又能够用于双向相位编码量子密钥分配系统，既能够用于中低速工作频率下的QKD系统，又能够用于高速工作频率下的QKD系统，能够适用不同类型的QKD系统；

2）不仅能够有效抵御攻击者利用校准过程引入探测效率失配漏洞，同时还能够有效防御后续攻击者利用探测效率失配漏洞实施伪态攻击或时移攻击，从而能够确保QKD系统在实际应用中的安全性；

3）无需在QKD系统接收端额外增加一整套校准装置，只需对现有QKD系统接收端解码装置进行一定改进即可，不会增加QKD系统的结构复杂度，同时成本较低，利于进行大规模部署。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 为本发明的流程示意图；

图2 为典型的发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统的结构示意图；

图3 为图2中光分束器BS2处出现的脉冲示意图；

图4 为本发明中改进后的相位编码量子密钥分配系统接收端的结构示意图；

图5 为图4在安全阈值内没有发生探测效率失配漏洞时两个单光子探测器的探测效率示意图；

图6 为图4在发生探测效率失配漏洞时两个单光子探测器的探测效率示意图；

图7 为图4在发生探测效率失配漏洞并进行伪态攻击时得到的第一种探测树形图；

图8 为图4在发生探测效率失配漏洞并进行伪态攻击时得到的第二种探测树形图；

图9 为图4在发生探测效率失配漏洞并进行伪态攻击时得到的第三种探测树形图；

图10 为图4在发生探测效率失配漏洞并进行伪态攻击时得到的第四种探测树形图；

图11 为在中低速工作频率下图4中的接收端解码装置内相位调制单元可实现的第一种技术方案；

图12 为在中低速工作频率下图4中的接收端解码装置内相位调制单元可实现的第二种技术方案；

图13 为在高速工作频率下图4中的接收端解码装置内相位调制单元可实现的第一种技术方案；

图14 为在高速工作频率下图4中的接收端解码装置内相位调制单元可实现的第二种技术方案；

图15 为在高速工作频率下图4中的接收端解码装置内相位调制单元可实现的第三种技术方案。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好地说明本申请技术方案，首先简述一个典型的发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统。如图2所示，脉冲激光器LD发出一定频率的光脉冲，当单位周期内的一个光脉冲进入由一只50/50的光分束器BS1、相位调制器PM1、法拉第反射镜FM1和法拉第反射镜FM2组成的法拉第-迈克尔逊干涉环时，先被光分束器BS1分成两个脉冲—脉冲S和脉冲L，脉冲S走干涉环的短臂，在短臂末端被法拉第反射镜FM1反射回来后又经过一次短臂，回到光分束器BS1处；脉冲L走干涉环的长臂，先经过相位调制器PM1调相后，被长臂末端的法拉第反射镜FM2反射回来，也回到分束器BS1处。此时，一个入射激光脉冲被干涉环分成前后两个光脉冲，其时间间隔由干涉环臂长差决定，其相位差由相位调制器PM1决定，经过衰减器ATT衰减到单光子脉冲后，经过隔离木马光的隔离器ISO、量子信道Channel到达接收端。

光脉冲先经过环形器CIR的1口，从环形器CIR的2口射出后到达接收端的干涉环。脉冲S经过干涉环后又被分成前后两个脉冲—脉冲SS和脉冲SL，而脉冲L经过干涉环后也被分成前后两个脉冲—脉冲LS和脉冲LL，其中脉冲SS和脉冲LS走接收端干涉环的短臂，脉冲SL和脉冲LL走接收端干涉环的长臂，走长臂的脉冲被接收端干涉环中的相位调制器PM2调相。

当发送端和接收端的干涉环臂长差相同时，脉冲SL和脉冲LS会在回到接收端干涉环的光分束器BS2处发生干涉，且干涉结果取决于相位调制器PM1和相位调制器PM2的调制相位差，脉冲LL和脉冲SS则在经过光分束器BS2时直接被分成两个部分。这样在接收端干涉环的光分束器BS2处就出现了前后三个脉冲，如图3所示，只有中间的脉冲是干涉峰脉冲，旁边两个脉冲均为非干涉峰脉冲。

对于干涉峰脉冲，接收端两个单光子探测器（SPD0和SPD1）的响应概率与两个相位调制器的调制相位差关系如下：

，/>，

当系统进行量子密钥分发时，发送端的相位调制器PM1每个周期随机调制0、、/>、/>相位，接收端的相位调制器PM2每个周期随机调制0、/>相位。

由干涉关系式可知，若两个相位调制器的调制相位差为0，则干涉峰脉冲一定在单光子探测器SPD0处响应；若两个相位调制器的调制相位差为，则干涉峰脉冲一定在单光子探测器SPD1处响应；若两个相位调制器的调制相位差为/>或/>，则干涉峰脉冲随机在光子探测器SPD0、单光子探测器SPD1处发生响应，且概率各为1/2。如表1所示，两个相位调制器的调制相位与干涉峰脉冲在两个单光子探测器的响应概率关系如下：

表1 PM1、PM2的调制相位与干涉峰脉冲在SPD0、SPD1处的响应概率关系表

因此，当发送端和接收端对基后，发送端将0、对应转换为比特0，/>、/>对应转换为比特1；接收端将对基后单光子探测器SPD0测到的光子转换为比特0，将单光子探测器SPD1测到的光子转换为比特1。

抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，如图1、图2和图4所示，在相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内设置用于在传输模式下随机调制0、、/>、/>相位的相位调制单元；

改进后的相位编码量子密钥分配系统进入校准模式，通过记录接收端解码装置内单光子探测器处干涉峰所在延时值的位置，评估是否存在攻击者Eve；

若在校准模式下未发现攻击者Eve，则改进后的相位编码量子密钥分配系统进入传输模式，通过获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve。

相位编码量子密钥分配系统包括发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统和双向相位编码量子密钥分配系统；

如图2所示，发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统包括通过隔离木马光的隔离器ISO、量子信道Channel相连的发送端、接收端，发送端包括编码装置、脉冲激光器LD和衰减器ATT，编码装置包括由光分束器BS1、相位调制器PM1、法拉第反射镜FM1和法拉第反射镜FM2组成的法拉第-迈克尔逊干涉环；

接收端包括解码装置、环形器CIR、单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1，解码装置包括由光分束器BS2、相位调制器PM2、法拉第反射镜FM3和法拉第反射镜FM4组成的法拉第-迈克尔逊干涉环；

其中，发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统进行量子密钥分发时，相位调制器PM1每个周期随机调制0、、/>、/>相位，相位调制器PM2每个周期随机调制0、/>相位。

如图4所示，在相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内设置用于在传输模式下随机调制0、、/>、/>相位的相位调制单元，包括：

在发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内增加与相位调制器PM2级联的相位调制器PM3。

如图1所示，改进后的相位编码量子密钥分配系统进入校准模式，通过记录接收端解码装置内单光子探测器处干涉峰所在延时值的位置，评估是否存在攻击者Eve，包括：

S1、发送端发送光脉冲，当光脉冲到达接收端两个单光子探测器的开门时刻，扫描接收端两个单光子探测器的延时值，并记录每个具有计数的延时值；

S2、针对每个具有计数的延时值，固定发送端或接收端的相位调制器的电压值，扫描另外一端相位调制器的电压值（扫描电压值至少跨越一个2相位周期），记录两个单光子探测器的计数值，若出现正弦或余弦曲线，则该延时值为干涉峰；

S3、重复S1、S2，并分别记录下两个单光子探测器处所有干涉峰所在延时值的位置、/>；

S4、评估是否存在攻击者Eve；

其中，在校准模式下，发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统进行量子密钥分发时，相位调制器PM2每个周期随机调制相位，/>，/>，M为正整数，/>（当M=1时，相位调制器PM2每个周期随机调制0、/>相位）；相位调制器PM3每个周期随机调制/>相位，/>（当N=1时，相位调制器PM3每个周期随机调制0、/>相位）。

具体地，评估是否存在攻击者Eve，包括：

若出现或/>或/>时，则判定存在攻击者Eve；否则判定不存在攻击者Eve，系统进入传输模式；

其中，为安全阈值，由两个单光子探测器的探测效率曲线和系统时钟抖动决定，一般约定/>；

上式中，分别为单光子探测器SPD0、单光子探测器SPD1在时间域上的探测效率曲线，/>、/>分别表示在t时刻取最小值、最大值；

如图5所示，表示在/>条件下，即在安全阈值内没有发生探测效率失配漏洞时，单光子探测器SPD1探测效率最高点对应的延时值；/>表示在条件下，即在安全阈值内没有发生探测效率失配漏洞时，单光子探测器SPD0探测效率最高点对应的延时值。这里默认两个单光子探测器的探测门宽相等，且探测效率最大值相等。

如图1所示，若在校准模式下未发现攻击者Eve，则改进后的相位编码量子密钥分配系统进入传输模式，通过获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve，包括：

S1、发送端发送光脉冲，相位调制器PM1随机调制0、、/>、/>相位，经过衰减器ATT后衰减为单光子级别脉冲，经过隔离器ISO后输出至量子信道Channel中；

S2、光脉冲进入接收端，相位调制器PM2随机调制0、相位，而增加的相位调制器PM3随机调制0、/>相位，接收端两个相位调制器两两组合相加得到四种随机调制相位0、/>、、/>；

S3、干涉脉冲的结果分别在单光子探测器SPD0、单光子探测器SPD1中进行探测，此后发射端和接收端进行对基，保留相同选基且探测到的部分，发送端和接收端将0、对应转换为比特0，/>、/>对应转换为比特1；

S4、系统获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve。

具体地，系统获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve，包括：

若误码率超过系统阈值（可设置为11%），则判定存在攻击者Eve；否则判定不存在攻击者Eve。

如表2所示，改进后的相位编码量子密钥分配系统中各相位调制器的调制相位与干涉峰脉冲在两个单光子探测器的响应概率关系如下：

表2 PM1、PM2、PM3的调制相位与干涉峰脉冲在SPD0、SPD1处的响应概率关系表

下面结合图7至图10说明在传输模式中接收端解码装置的相位调制单元随机调制0、、/>、/>四相位后伪态攻击为什么会引发大的误码。假定QKD系统的接收端两个单光子探测器已经具有探测效率失配漏洞，那么攻击者Eve会利用探测效率失配漏洞进行伪态攻击，首先截取QKD系统发送端发送的光脉冲，随机调制相位进行探测，然后根据伪态攻击原理，如果攻击者Eve探测的结果是0，则在t0时刻，攻击者Eve发送另一组测量基的1态给QKD接收端；如果攻击者Eve探测的结果是1，则在t1时刻，发送另一组测量基的0态给QKD接收端。

图7至图10中列举了当QKD发送端发送0相位时，攻击者Eve的探测端Eve-Bob随机选取0、、/>、/>四相位进行测量，根据上述伪态攻击原理，攻击者Eve的发送端Eve-Alice选择在t0或t1时刻发送相应相位的光脉冲给QKD接收端进行探测，此时QKD接收端随机选取0、/>、/>、/>四相位进行测量，从而可以分别得到两个单光子探测器的探测概率。其中，QKD接收端的加下划线部分为误码部分。

为了简化分析，这里简单假设攻击者Eve的探测端Eve-Bob的单光子探测器探测效率为100%，且两个单光子探测器的探测效率完全对称，同时失配曲线几乎完全无重合，且/>，整个分析中忽略了系统噪声，相位调制单元光学本底噪声等。因此，当QKD发送端发送0相位并对基后，QKD接收端得到的探测计数概率为：

当QKD发送端0相位时，对基之后的误码计数概率为：

根据表达式对称性，可得QKD发送端发送四相位后，QKD接收端得到的探测计数概率为：

对基之后的总误码计数概率为：

则QKD接收端调制四相位电压时，攻击者Eve引入的量子比特误码率为：

由此可见，传输模式中传输模式中接收端解码装置的相位调制单元随机调制0、、/>、/>四相位后伪态攻击为什么会引发50%的误码，明显超过系统阈值（可设置为11%）。由表2可知，若QKD接收端随机调制0、/>相位时，SPD0对应比特0，SPD1对应比特1；若QKD接收端随机调制/>、/>相位时，SPD0对应比特1，SPD1对应比特0。因此，对于攻击者Eve来说，若QKD接收端随机调制0、/>、/>、/>四相位，SPD0、SPD1对应比特0还是比特1的关系就不固定了，如果此时攻击者Eve想采取时移攻击，攻击者Eve就没有办法根据SPD0、SPD1的响应状况判断比特值，从而引发大误码。

对于本申请技术方案中的相位调制单元（相位调制器PM2和相位调制器PM3），在中低速工作频率下，对于相位调制的速度和精度要求没有较大限制，因此一般采用传统的数模转换方式，有以下两种可实现技术方案。

方案一：如图11所示，这种方案采用一个单电极相位调制器PM4来调制接收端的相位。首先，由第一随机信号产生单元产生两路随机数字信号，上面一路随机数字信号经过第一数模转换单元产生模拟信号后，再经过第一增益放大单元产生作为一路调相器的电压分量a；

下面一路随机数字信号经过第二数模转换单元产生模拟信号后，再经过第二增益放大单元产生作为另一路调相器的电压分量b，两路电压分量经过第一加法器单元进行模拟求和后得到单电极相位调制器PM4的驱动电平信号，输入至其驱动电极，从而调制经过单电极相位调制器PM4的量子光脉冲。

在校准模式下，上面一路调相器的电压分量a调制的相位分量为，/>，，M为正整数，/>；下面一路调相器的电压分量b调制的相位分量为，/>。在传输模式下，上面一路调相器的电压分量a随机调制0、/>相位；而下面一路调相器的电压分量b随机调制0、/>相位。

方案二：如图12所示，这种方案采用两个单电极相位调制器PM5、PM6级联来调制接收端的相位。首先，由第一随机信号产生单元产生两路随机数字信号，上面一路随机数字信号经过第一数模转换单元产生模拟信号后，再经过第一增益放大单元产生单电极相位调制器PM5的驱动电平信号输入至其驱动电极，从而调制经过单电极相位调制器PM5的量子光脉冲；

另一路随机数字信号经过第二数模转换单元产生模拟信号后，再经过第二增益放大单元产生单电极相位调制器PM6的驱动电平信号输入至其驱动电极，经过单电极相位调制器PM5调制的的量子光脉冲随后经过单电极相位调制器PM6调制后输出。

在校准模式下，上面一路驱动电平信号调制的相位分量为，/>，，M为正整数，/>；下面一路驱动电平信号调制的相位分量为/>，/>。在传输模式下，上面一路驱动电平信号随机调制0、/>相位，而下面一路驱动电平信号随机调制0、/>相位。

在高速工作频率下，QKD系统对于相位调制的速度和精度要求较高，即要求相位调制的驱动信号尽量平坦且可调。如果采用上述中低速工作频率下的技术方案，则在进行1Gbps以上速率的调制时，会对量子光脉冲相位调制的速度和精度产生较大限制，进而限制整个高速QKD系统的性能。

如图13至图15所示，给出了高速工作频率下接收端解码装置内相位调制单元的三种可实现技术方案。三种技术方案的共性，即都利用两路独立数字调制信号的码型，其共同决定了每次调制的相位，这种机制产生的调相信号，避免了数模转换和模拟开关切换等环节对调制速率的限制，在频率、眼宽和眼高各方面均能够满足高速QKD系统对于信号调制的要求。

方案一：如图13所示，第二随机信号产生单元产生随机数字信号，并/串转换单元对随机数字信号进行并/串转换，从而得到串行数字信号，经过高速串行收发单元可以输出两路独立的串行随机数字驱动信号，第三增益放大单元对一路数字驱动信号进行增益控制输出电压驱动信号分量，第四增益放大单元对另一路数字驱动信号进行增益控制输出电压驱动信号分量，这两路电压驱动信号分量通过第二加法器单元（高速模拟加法器）进行两路信号分量的相加，并输出至单电极相位调制器PM7的驱动电极，从而调制经过单电极相位调制器PM7的量子光脉冲。

类似中低速工作频率下的技术方案，在校准模式和传输模式下，两路电压驱动信号分量的设置范围或取值不同，这种情况适合于单电极相位调制器方案，这种方案的实质是在电子学系统里完成对信号的相加处理。

方案二：如图14所示，这种情况适合于双电极相位调制器方案，这种方案的实质是在光学系统里完成对信号的相加处理。双电极相位调制器PM8有两个独立的驱动电极，与上述方案一不同，其能够将两路电压驱动信号分量分别输入至双电极相位调制器PM8的两个驱动电极，从而调制经过双电极相位调制器PM8的量子光脉冲。

方案三：如图15所示，为双相位调制器方案，不同于上述方案二，该方案是将双电极相位调制器PM8替换为两个级联的单电极相位调制器PM9、PM10，这种方案相比上述方案二，会在接收端的光路上带来额外损耗。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，其特征在于：在相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内设置用于在传输模式下随机调制0、、/>、/>相位的相位调制单元；

改进后的相位编码量子密钥分配系统进入校准模式，通过记录接收端解码装置内单光子探测器处干涉峰所在延时值的位置，评估是否存在攻击者Eve；

若在校准模式下未发现攻击者Eve，则改进后的相位编码量子密钥分配系统进入传输模式，通过获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve。

2.根据权利要求1所述的抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，其特征在于：所述相位编码量子密钥分配系统包括发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统和双向相位编码量子密钥分配系统；

所述发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统包括通过隔离木马光的隔离器ISO、量子信道Channel相连的发送端、接收端，所述发送端包括编码装置、脉冲激光器LD和衰减器ATT，所述编码装置包括由光分束器BS1、相位调制器PM1、法拉第反射镜FM1和法拉第反射镜FM2组成的法拉第-迈克尔逊干涉环；

所述接收端包括解码装置、环形器CIR、单光子探测器SPD0和单光子探测器SPD1，所述解码装置包括由光分束器BS2、相位调制器PM2、法拉第反射镜FM3和法拉第反射镜FM4组成的法拉第-迈克尔逊干涉环；

其中，发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统进行量子密钥分发时，相位调制器PM1每个周期随机调制0、、/>、/>相位，相位调制器PM2每个周期随机调制0、/>相位。

3.根据权利要求2所述的抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，其特征在于：所述在相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内设置用于在传输模式下随机调制0、、/>、/>相位的相位调制单元，包括：

在发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统中接收端解码装置内增加与相位调制器PM2级联的相位调制器PM3。

4.根据权利要求3所述的抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，其特征在于：所述改进后的相位编码量子密钥分配系统进入校准模式，通过记录接收端解码装置内单光子探测器处干涉峰所在延时值的位置，评估是否存在攻击者Eve，包括：

S1、发送端发送光脉冲，当光脉冲到达接收端两个单光子探测器的开门时刻，扫描接收端两个单光子探测器的延时值，并记录每个具有计数的延时值；

S2、针对每个具有计数的延时值，固定发送端或接收端的相位调制器的电压值，扫描另外一端相位调制器的电压值，记录两个单光子探测器的计数值，若出现正弦或余弦曲线，则该延时值为干涉峰；

S3、重复S1、S2，并分别记录下两个单光子探测器处所有干涉峰所在延时值的位置、/>；

S4、评估是否存在攻击者Eve；

其中，在校准模式下，发送—接收型单向相位编码量子密钥分配系统进行量子密钥分发时，相位调制器PM2每个周期随机调制相位，/>，/>，M为正整数，；相位调制器PM3每个周期随机调制/>相位，。

5.根据权利要求4所述的抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，其特征在于：S4中评估是否存在攻击者Eve，包括：

若出现或/>或/>时，则判定存在攻击者Eve；否则判定不存在攻击者Eve，系统进入传输模式；

其中，为安全阈值，由两个单光子探测器的探测效率曲线和系统时钟抖动决定，一般约定/>；

上式中，分别为单光子探测器SPD0、单光子探测器SPD1在时间域上的探测效率曲线，/>、/>分别表示在t时刻取最小值、最大值；

表示在/>条件下，即在安全阈值内没有发生探测效率失配漏洞时，单光子探测器SPD1探测效率最高点对应的延时值；/>表示在条件下，即在安全阈值内没有发生探测效率失配漏洞时，单光子探测器SPD0探测效率最高点对应的延时值。

6.根据权利要求5所述的抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，其特征在于：所述若在校准模式下未发现攻击者Eve，则改进后的相位编码量子密钥分配系统进入传输模式，通过获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve，包括：

S1、发送端发送光脉冲，相位调制器PM1随机调制0、、/>、/>相位，经过衰减器ATT后衰减为单光子级别脉冲，经过隔离器ISO后输出至量子信道Channel中；

S2、光脉冲进入接收端，相位调制器PM2随机调制0、相位，而增加的相位调制器PM3随机调制0、/>相位，接收端两个相位调制器两两组合相加得到四种随机调制相位0、/>、/>、/>；

S3、干涉脉冲的结果分别在单光子探测器SPD0、单光子探测器SPD1中进行探测，此后发射端和接收端进行对基，保留相同选基且探测到的部分，发送端和接收端将0、对应转换为比特0，/>、/>对应转换为比特1；

S4、系统获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve。

7.根据权利要求6所述的抵御校准过程中引入探测效率失配漏洞的方法，其特征在于：S4中系统获取相应数量的对基后密钥用来计算误码率，评估是否存在攻击者Eve，包括：

若误码率超过系统阈值，则判定存在攻击者Eve；否则判定不存在攻击者Eve。