【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子密鑰分發(fā)(QKD)的實(shí)際安全性研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)韓正甫、王雙、銀振強(qiáng)、陳巍等發(fā)現(xiàn)了QKD發(fā)送端調(diào)制器件的一種潛在安全性漏洞，并利用該漏洞完成的量子黑客攻擊實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)QKD的發(fā)送端未對(duì)該漏洞進(jìn)行嚴(yán)格防護(hù)時(shí)，攻擊者有可能利用其獲取全部的密鑰信息。相關(guān)研究的兩項(xiàng)成果分別于4月20日和5月16日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)知名期刊《Optica》[Optica, 10, 520-527(2023)]和《Physical Review Applied》[Physical Review Applied, 19,054052(2023)]上，并入選當(dāng)期的編輯推薦工作。
 

　　QKD理論上可以在用戶之間生成信息論安全的密鑰，然而實(shí)際設(shè)備的非理想特性可能會(huì)與理論假設(shè)不符，從而被竊聽者利用。因此，對(duì)QKD系統(tǒng)的實(shí)際安全性進(jìn)行全面而深入的分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)更完善、更安全的實(shí)際系統(tǒng)，是推進(jìn)QKD實(shí)用化的重要環(huán)節(jié)。郭光燦、韓正甫研究組在QKD系統(tǒng)的實(shí)際安全性分析及攻防技術(shù)上取得了一系列研究成果，包括：發(fā)現(xiàn)探測(cè)設(shè)備的雪崩過(guò)渡區(qū)控制漏洞[Physical Review Applied, 10, 064062(2018)]、提出針對(duì)探測(cè)設(shè)備控制攻擊的可變衰減防御方案[Optica, 6, 1178-1184(2019)]、研制無(wú)需探測(cè)表征的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器[Physical Review Letters, 129,050506(2022)]、設(shè)計(jì)消除編碼偏差的容錯(cuò)增強(qiáng)協(xié)議[Optica, 9, 812-823(2022)]等。
 

　　在本工作中，研究組提出了通過(guò)外部注入光子操控QKD發(fā)送端核心器件的工作狀態(tài)，進(jìn)而竊取密鑰的攻擊思想。研究組首先提出和分析了在商用鈮酸鋰器件中較顯著的光折變效應(yīng)對(duì)QKD的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)和驗(yàn)證了對(duì)BB84協(xié)議QKD系統(tǒng)的攻擊方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：攻擊者僅需從外部注入3nW的誘導(dǎo)光，就能成功地實(shí)施攻擊。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)型QKD系統(tǒng)設(shè)計(jì)了發(fā)送端攻擊方案：攻擊者在測(cè)量發(fā)送端發(fā)出的所有量子態(tài)的同時(shí)，通過(guò)注入誘導(dǎo)光引發(fā)發(fā)送端鈮酸鋰調(diào)制器的光折變效應(yīng)，從而隱藏其測(cè)量行為引起的擾動(dòng)。研究組利用該方案完成了首個(gè)對(duì)運(yùn)行中的測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)QKD系統(tǒng)的量子黑客攻擊實(shí)驗(yàn)，證明在不被察覺的情況下，竊聽者可以獲取幾乎全部的密鑰。針對(duì)以上安全性漏洞和攻擊方法，研究組也提出了可以有效防御該漏洞的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，驗(yàn)證了通過(guò)良好的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的器件使用方式，可以有效提升QKD系統(tǒng)的實(shí)際安全性。
 

圖1 針對(duì)測(cè)量設(shè)備無(wú)關(guān)系統(tǒng)的量子黑客攻擊裝置
 

　　研究組的成果為提升QKD系統(tǒng)的實(shí)際安全性研究打開了新的窗口，既發(fā)掘和分析了發(fā)送端潛在漏洞及其對(duì)系統(tǒng)實(shí)際安全性帶來(lái)的威脅，也提出了相應(yīng)的解決方法。該成果有助于引發(fā)領(lǐng)域研究人員對(duì)QKD實(shí)際安全性的更深入、更全面的思考，對(duì)推動(dòng)QKD的實(shí)用化和標(biāo)準(zhǔn)化有重要的意義。
 

　　《Optica》論文的第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后盧奉宇和博士生葉鵬，通訊作者為王雙教授和銀振強(qiáng)教授；《Physical Review Applied》論文的第一作者是博士生葉鵬，通訊作者為陳巍研究員。上述研究工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。　(中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、物理學(xué)院、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)