CN214152170U

CN214152170U - 一种光纤qkd系统抗修改的pns攻击的演示装置

Info

Publication number: CN214152170U
Application number: CN202022923479.XU
Authority: CN
Inventors: 李东东; 赵梅生; 高松; 唐世彪
Original assignee: Quantumctek Co Ltd
Current assignee: Quantumctek Co Ltd
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2030-12-08

Abstract

本实用新型提出了一种光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置，其包括借助光纤连接的QKD发送端、QKD接收端和窃听攻击方。QKD发送端用于生成并输出信号光和同步光，且包括用于产生光信号的单个激光光源以及用于产生信号光的编码单元。QKD接收端用于接收信号光和同步光，并对信号光进行解码。窃听攻击方用于截取信号光和同步光，以进行修改的PNS攻击。

Description

一种光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置

技术领域

本实用新型涉及量子保密通信技术领域，特别涉及一种光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置。

背景技术

量子密钥分发(QKD)是最先实用化的量子信息技术。目前已经逐步成熟，商业应用正逐步拓展。量子密钥分发设备的主要功能是提供一种信息论安全的对称密钥分发方式。利用QKD分发的安全密钥，结合密码学的加密方式，能够有效保障通信的安全性。

QKD的理论安全性已经得到理论证明。但是，在现实QKD设备中，由于器件的物理特性与理论描述可能存在一些偏差，为窃听者获取密钥信息提供了可能。这类攻击方法称为量子黑客攻击。最为典型的就是光子数分离(PNS)攻击，针对的是采用弱相干光脉冲而非严格单光子源的QKD系统。幸运的是，一方面PNS攻击技术要求很高，目前还无法实现；另一方面，已经证明采用诱骗态方案能够有效防护该攻击。

QKD的核心是安全，针对其安全性的探索是无止境的。虽然PNS攻击中要求采用量子存储器而难以实现，但是现有技术已经提出了一种修改的PNS攻击方案(其在文献PHYSICAL REVIEW A 83,042326(2011)由我国科学家首次提出)，其中假设窃听者知晓接收端测量基矢以进行后续的光子数分离攻击，并且该现有技术还公开了一种基于自由空间分离器件实现的系统用以实验演示该攻击方案的原理，如图1所示。

实用新型内容

在现有用于演示修改的PNS攻击方案的系统中，至少存在以下问题：采用自由空间光路来实现，稳定性差，可维护性差，操作也很不方便；采用多激光器编码方案，其安全性存在漏洞；采用经典强光模拟实验，而非使用单光子量级的光信号，也没有使用真正的单光子探测器，其演示效果比较差。

针对现有技术中存在的上述不足，本实用新型提出了一种光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置，其采用全光纤结构，能够有效提升系统的稳定性与易用性，便于操作也便于维护；同时，本实验使用单光子量级的光信号和单光子探测器，能够在接近真实QKD系统环境的过程中演示修改的PNS攻击；最后，在本实用新型的QKD系统中可以采用单激光器编码方案，从而解决现有技术中由于光脉冲模式不一致带来的安全性漏洞。

具体而言，在本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中，可以包括借助光纤连接的QKD发送端、QKD接收端和窃听攻击方，其中：

所述QKD发送端被设置用于生成并输出信号光和同步光，且包括用于产生光信号的单个激光光源，以及用于对所述光信号进行编码以产生所述信号光的编码单元；

所述QKD接收端被设置用于接收所述信号光和所述同步光，并对所述信号光进行解码；

所述窃听攻击方被设置用于截取由所述QKD发送端输出的所述信号光和所述同步光，以进行修改的PNS攻击。

进一步地，所述窃听攻击方包括同步光分束单元、同步光探测单元、信号光分束单元、信号光探测单元、光开关单元、以及控制单元；

所述同步光分束单元被设置用于将所述同步光分成第一同步光分量和第二同步光分量；

所述同步光探测单元被设置用于对所述第一同步光分量进行测量以生成同步光测量信号；

所述信号光分束单元被设置用于将所述信号光分成第一信号光分量和第二信号光分量；

所述信号光探测单元被设置用于在固定基矢下对所述第一信号光分量进行解码，产生两个解码信号，并分别对所述固定基矢下的所述两个解码信号进行单光子探测，以产生第一和第二探测计数信号；

所述光开关单元被设置用于根据光开关控制信号允许或阻止所述第二信号光分量从所述窃听攻击方离开；

所述控制单元被设置用于根据所述同步光测量信号形成时间同步信号，以及根据所述第一和第二探测计数信号获取密钥信息和产生所述光开关控制信号。

优选地，所述同步光分束单元包括分束器；以及/或者，所述信号光分束单元包括分束器；以及/或者，所述同步光探测单元包括光电探测器。

进一步地，所述信号光探测单元可以包括偏振补偿元件、偏振分束元件、以及第一和第二单光子探测器；

所述偏振补偿元件被设置用于对所述第一信号光分量的偏振态进行补偿；

所述偏振分束元件被设置用于对经偏振态补偿的所述第一信号光分量进行偏振解码，以产生两个偏振态彼此垂直的解码信号；

所述第一单光子探测器被设置用于对所述两个解码信号中的一个进行单光子探测，以产生所述第一探测计数信号；

所述第二单光子探测器被设置用于对所述两个解码信号中的另一个进行单光子探测，以产生所述第二探测计数信号。

优选地，所述偏振补偿元件包括电动偏振控制器；以及/或者，所述偏振分束元件包括偏振分束器。

进一步地，所述控制单元被设置成，当所述信号光探测单元仅输出所述第一和第二探测计数信号中的一个时，产生使所述光开关单元允许所述第二信号光分量通过的光开关控制信号。

更进一步地，所述控制单元包括FPGA和时间数字转换器；

所述FPGA被设置成：基于所述同步光测量信号形成所述时间同步信号；将所述第一和第二探测计数信号形成为两份信号，并基于所述两份信号中的一份产生所述光开关控制信号；

所述时间数字转换器被设置用于测量所述两份信号中的另一份，以获取所述密钥信息。

进一步地，所述窃听攻击方还包括用于使由同一光纤传输的所述信号光和同步光分离的第一波分复用器，以及用于使第二信号光分量和第二同步光分量合束的第二波分复用器。

更进一步地，所述窃听攻击方还包括光纤延时单元，其被设置用于使所述第二信号光分量和所述第二同步光分量同时输入所述第二波分复用器。

进一步地，所述光开关单元包括光开关驱动器和光开关，所述光开关驱动器被设置成基于所述光开关控制信号驱动所述光开关。

可选地，所述光开关为声光调制器、机械式光开关、基于电光晶体的光开关、强度调制器、幅度调制器、基于相位调制器的MZ干涉仪、基于相位调制器的FM干涉仪、基于相位调制器的Sagnac干涉仪中的任意一种。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

为了更清楚地说明本实用新型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使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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来获得其他的附图。

图1示意性地示出了现有技术中基于自由空间器件实现的、用于实现修改的PNS攻击的实验演示系统；

图2示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置的一种实施方式；

图3示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置的另一种实施方式；

图4示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中光开关的一种示例；

图5示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中光开关的另一种示例；

图6示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中光开关的又一种示例；

图7示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中光开关的再一种示例。

具体实施方式

在下文中，本实用新型的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本实用新型的精神给本实用新型所属领域的技术人员。因此，本实用新型不限于本文公开的实施例。

图2示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置的一种实施方式。

如图2所示，光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置可以包括QKD发送端(Alice)，QKD接收端(Bob)，以及窃听攻击方(Eve)。

QKD发送端可以发送信号光，以及用于进行时间同步的同步光。

在优选示例中，QKD发送端可以包括单个激光光源和编码单元，其中，激光光源产生光信号，由编码单元将光信号调制成具有编码信息的信号光。例如，激光光源可以产生单光子量级的弱相干光信号，编码单元可以将光信号调制成具有偏振态编码信息的信号光。

在QKD发送端中，可以使信号光和同步光由不同的光纤分别向外输出，例如图3中所示，或者也可以借助例如波分复用器使信号光和同步光由同一光纤向外输出，例如图2中所示。

QKD接收端用于接收信号光和同步光，并对信号光进行解码。

窃听攻击方用于截取由QKD发送端发送的信号光和同步光，以实现修改的PNS攻击。

在图2所示的实施方式中，窃听攻击方可以包括第一波分复用器(DWDM)、同步光分束单元、同步光探测单元、信号光分束单元、信号光探测单元、光开关单元、第二波分复用器(DWDM)、以及控制单元。

第一波分复用器用于将由同一光纤传输的信号光和同步光分离，从而分别朝向信号光分束单元和同步光分束单元传输。

同步光分束单元用于将同步光分成第一同步光分量和第二同步光分量。在优选示例中，同步光分束单元可以包括分束器BS。

同步光探测单元连接同步光分束单元的一个输出端，用于对第一同步光分量进行测量以生成同步光测量信号，并将同步光测量信号发送给控制单元以成为时间同步信号。在优选示例中，同步光探测单元可以包括光电探测器，例如PIN管。

第二波分复用器连接同步光分束单元的另一个输出端，用于接收第二同步光分量。

信号光分束单元用于将信号光分成第一信号光分量和第二信号光分量。

光开关单元连接信号光分束单元的一个输出端，用于根据控制信号允许或阻止第二信号光分量通过。

信号光探测单元连接信号光分束单元的另一个输出端，用于在固定基矢下对第一信号光分量进行解码，产生两个解码信号，并分别对固定基矢下的两个解码信号进行单光子探测。

在优选示例中，信号光探测单元可以包括偏振补偿元件、偏振分束元件、以及第一和第二单光子探测器。

偏振补偿元件用于对第一信号光分量的偏振态进行补偿，其例如可以是电动偏振控制器(EPC)。

偏振分束元件用于接收经偏振态补偿的第一信号光分量以对其进行偏振解码，从而产生两个偏振态彼此垂直的解码信号，并将这两个解码信号分别输入第一和第二单光子探测器以进行单光子探测。作为示例，偏振分束元件可以包括偏振分束器PBS。

第一和第二单光子探测器用于分别对两个解码信号进行单光子探测，以产生第一和第二探测计数信号。

控制单元用于接收同步光探测单元输出的同步光测量信号，以形成时间同步信号；同时，还用于接收信号光探测单元输出的第一和第二探测计数信号，并对第一和第二探测计数信号进行测量以获取密钥信息，以及基于第一和第二探测计数信号向光开关单元提供光开关控制信号。

在优选示例中，控制单元可以包括FPGA和TDC(时间数字转换器)。

其中，FPGA接收同步光测量信号并由此形成时间同步信号；以及接收第一和第二探测计数信号并将其形成两份，其中一份探测计数信号被输入至TDC中进行测量，作为攻击者测量的密钥信息，另一份探测计数信号经甄别判断以用于产生用于光开关单元的光开关控制信号。

在本实用新型，当第一和第二单光子探测器有且仅有一个产生输出计数(即信号光探测单元仅输出第一和第二探测计数信号中的一个)时，控制单元将产生用于使光开关单元处于打开状态的光开关控制信号，否则将使光开关单元处于关闭状态，不允许任何光信号通过。

在优选示例中，光开关单元可以包括光开关驱动器和光开关，其中，光开关驱动器基于控制单元产生的光开关控制信号驱动光开关处于打开或者关闭状态。

光开关的输入端连接信号光分束单元的一个输出端以接收第二信号光分量，输出端连接第二波分复用器，因此，当光开关处于打开状态时，可以允许第二信号光分量通过以输入第二波分复用器。在图2的示例中，光开关可以包括声光调制器(AOM)。

第二波分复用器用于使第二同步光分量和第二信号光分量形成合束以进入QKD接收端进行测量。

进一步地，该演示装置还可以包括光纤延时单元(例如光纤延时线)，其用于使第二同步光分量和第二信号光分量同时输入第二波分复用器。

作为示例，光纤延时单元可以被设置用于为第二信号光分量提供延时，如图2所示。

图3示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置的另一种实施方式，其中，出于简洁的原因，与图2的实施方式相同或类似的内容将在下文中不再赘述。

在该实施方式中，QKD发送端使信号光和同步光由不同的光纤分别向外输出。相应地，不同于图2的实施方式，该演示装置的窃听攻击方中不再设置有第一和第二波分复用器，其中，由QKD发送端发送的同步光和信号光分别直接输入同步光分束单元和信号光分束单元，且第二同步光分量和第二信号光分量分别沿不同光纤输入QKD接收端。

尽管在图2和3的实施方式中，光开关被示出为声光调制器(AOM)的形式，但是本领域技术人员能够理解，光开关还可以有其他实现形式，例如：机械式光开关(其适用于QKD设备频率相对较低的情形)，基于电光晶体的光开关，强度调制器/幅度调制器，基于相位调制器的MZ干涉仪实现的光开关，基于相位调制器的FM干涉仪实现的光开关，基于相位调制器的Sagnac干涉仪实现的光开关。

图4示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中光开关的一种示例，其中采用强度调制器/幅度调制器作为光开关。

图5示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中光开关的另一种示例，其中采用基于相位调制的MZ干涉仪作为光开关。如图5所示，该光开关可以包括由第一分束器BS、第二分束器BS和两根光纤臂形成的MZ干涉仪，其中，在两根光纤臂的至少一个上设置有相位调制器，光开关驱动器用于控制相位调制器的相位调制量。

图6示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中光开关的又一种示例，其中采用基于相位调制的FM(法拉第反射镜)干涉仪作为光开关。如图6所示，该光开关可以包括分束器BS、由光纤和第一法拉第反射镜构成的第一臂、以及由光纤和第二法拉第反射镜构成的第二臂，其中，在第一和第二臂的至少一个上设置有相位调制器，光开关驱动器用于控制相位调制器的相位调制量。

图7示出了根据本实用新型的光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置中光开关的再一种示例，其中采用基于相位调制的sagnac干涉仪作为光开关。如图7所示，该光开关可以包括分束器BS和sagnac环，其中，在sagnac环上设置有相位调制器，光开关驱动器用于控制相位调制器的相位调制量。

由此可见，在本实用新型的QKD抗修改的PNS攻击的演示装置中采用了全光纤结构，由此能够有效提升系统的稳定性与易用性，便于操作和维护；同时，采用单光子量级的光信号和单光子探测器，能够在接近真实QKD系统环境的过程中演示修改的PNS攻击；最后，在发送端采用了单激光器编码方案，可以解决现有技术中由于光脉冲模式不一致带来的安全性漏洞。

尽管前面结合附图通过具体实施例对本实用新型进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本实用新型的原理，其并不会对本实用新型的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围。

Claims

1.一种光纤QKD系统抗修改的PNS攻击的演示装置，其包括借助光纤连接的QKD发送端、QKD接收端和窃听攻击方，其中：

2.如权利要求1所述的演示装置，其中，所述窃听攻击方包括同步光分束单元、同步光探测单元、信号光分束单元、信号光探测单元、光开关单元、以及控制单元；

3.如权利要求2所述的演示装置，其中，

所述同步光分束单元包括分束器；以及/或者，

所述信号光分束单元包括分束器；以及/或者，

所述同步光探测单元包括光电探测器。

4.如权利要求2所述的演示装置，其中，所述信号光探测单元包括偏振补偿元件、偏振分束元件、以及第一和第二单光子探测器；

5.如权利要求4所述的演示装置，其中，所述偏振补偿元件包括电动偏振控制器；以及/或者，所述偏振分束元件包括偏振分束器。

6.如权利要求2所述的演示装置，其中，所述控制单元被设置成，当所述信号光探测单元仅输出所述第一和第二探测计数信号中的一个时，产生使所述光开关单元允许所述第二信号光分量通过的光开关控制信号。

7.如权利要求6所述的演示装置，其中，所述控制单元包括FPGA和时间数字转换器；

8.如权利要求2所述的演示装置，其中，所述窃听攻击方还包括用于使由同一光纤传输的所述信号光和同步光分离的第一波分复用器，以及用于使第二信号光分量和第二同步光分量合束的第二波分复用器。

9.如权利要求8所述的演示装置，其中，所述窃听攻击方还包括光纤延时单元，其被设置用于使所述第二信号光分量和所述第二同步光分量同时输入所述第二波分复用器。

10.如权利要求2所述的演示装置，其中，所述光开关单元包括光开关驱动器和光开关，所述光开关驱动器被设置成基于所述光开关控制信号驱动所述光开关。

11.如权利要求10所述的演示装置，其中，所述光开关为声光调制器、机械式光开关、基于电光晶体的光开关、强度调制器、幅度调制器、基于相位调制器的MZ干涉仪、基于相位调制器的FM干涉仪、基于相位调制器的Sagnac干涉仪中的任意一种。