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自由空间量子密钥分发系统的攻击方法及其攻击系统

2021-02-02 05:59:05

自由空间量子密钥分发系统的攻击方法及其攻击系统

  技术领域

  本发明属于量子通信领域,具体涉及一种自由空间量子密钥分发系统的攻击方法及其攻击系统。

  背景技术

  随着经济技术的发展和人们生活水平的提高,信息安全已经成为了全世界人们关注的重点。近些年来随着量子计算的兴起,传统密码学基于计算复杂度的安全体系正面临巨大危机。由于量子力学保证的无理由安全性,量子密钥分发正受到越来越多的关注。

  量子密钥分发系统主要有基于光纤的量子密钥分发与自由空间量子密钥分发。光纤中的量子密钥分发,虽然商业化程度较高,但是光纤的衰减较大,损耗较高,而且需要大面积敷设光缆,成本高昂。而在自由空间中,量子密钥传输的衰减小,特别是外太空中,几乎没有损耗,因此有着用于超长距离量子密钥分发的潜力。

  自由空间量子密钥分发系统通常使用偏振态对信息进行编码。产生偏振态的方法主要有两种,一种是使用单个激光器调制产生偏振态,另一种是使用四个激光器产生不同的偏振态。使用单激光器的方案生成速率低,因此目前研究多为四激光器自由空间量子密钥分发系统。

  一个典型自由空间量子密钥分发系统如图1所示。发送方Alice通过四个激光器和四个偏振器产生四种不同的偏振态。第一激光器发射的激光经过第一偏振器后得到对角偏振态(D);第二激光器发射的激光经过第二偏振器后得到反对角偏振态(A);第三激光器发射的激光经过第三偏振器后得到水平偏振态(H);第四激光器发射的激光经过第四偏振器后得到垂直偏振态(V)。产生的四种偏振态激光经过三个分束器后合为一株激光,经过发射透镜后送至自由空间中传输,然后被接收端Bob的接收透镜接收。Bob接收到信号后使用单光子探测器测得光子信号,并随机使用水平竖直基或对角基对信号检测。其中使用水平竖直基可以检测偏振态H和V,使用对角基可以检测偏振态D和A。最后,Alice和Bob在信道中公开他们使用的基矢,舍弃不同基矢测得的偏振态,保留相同基矢下的偏振态。这样发射端和接收端就获得了一组相同的量子密钥,实现了一次标准自由空间量子密钥分发。

  通常,为了防止窃听者Eve得到Alice发送的偏振态,Alice所使用的四个激光器参数特性是一样的,产生的偏振态波长相同,杜绝了Eve依靠不同波长区分出偏振态而达到窃听的目的。而且,发送方Alice每次通信时,一般只发射一个光子,即采用单光子通信模式,从而防止窃听者通过窃取大量的信号光、测量信号光的Stokes参量从而判断信号光的偏振态。因此,目前尚没有一种通信模式的稳定且有效的攻击方法。

  发明内容

  本发明的目的之一在于提供一种适用于单光子通信模式,攻击时不破坏量子信息,而且能够在发送方和接收方均不知情的情况下完成攻击的自由空间量子密钥分发系统的攻击方法。

  本发明的目的之二在于提供一种实现所述自由空间量子密钥分发系统的攻击方法的攻击系统。

  本发明提供的这种自由空间量子密钥分发系统的攻击方法,包括如下步骤:

  S1.窃听方制备强激光,并通过自由空间发送至发送方的发送端口;

  S2.步骤S1发送的强激光通过发送方的发送端口进入发送方内部,使得发送方内部的四个激光器发生改变,从而最终改变发送方的四个激光器的发射波长;

  S3.窃听方截取发送方再次发送的信息光,通过波分复用后得到发送方发送的不同偏振态的波长光,从而得到发送方的偏振态信息;

  S4.窃听方根据步骤S3获取的发送方的偏振态信息,制备相同的偏振态信息并发送给接收方,从而完成自由空间量子密钥分发系统的攻击。

  步骤S1所述的窃听方制备强激光,并通过自由空间发送至发送方的发送端口,具体为窃听方采用飞秒激光器制备偏振态激光V;并将制备的偏振态激光V通过分色镜反射进入发送方的发射透镜。

  步骤S2所述的步骤S1发送的强激光通过发送方的发送端口进入发送方内部,使得发送方内部的四个激光器发生改变,从而最终改变发送方的四个激光器的发射波长,具体为窃听方制备的偏振态激光V通过发送方的发射透镜进入发送方内部,并通过发送方内部的光路照射到发送方的四个激光器上:偏振态激光V被发送方的第四偏振器完全透射,因此发送方的第四激光器吸收了100%的偏振态激光V的能量;偏振态激光V被发送方的第三偏振器完全反射,因此发送方的第三激光器未吸收任何偏振态激光V的能量;偏振态激光V被发送方的第一偏振器和第二偏振器反射50%的能量并透射50%的能量,因此发送方的第一激光器与第二激光器均吸收了50%的偏振态激光V的能量;发送方在后续的偏振态制备中,第四激光器发出的激光波长最短,第三激光器发出的激光波长保持不变且波长最长,第一激光器与第二激光器发出的激光波长相等且介于第三激光器发出的激光波长与第四激光器发出的激光波长之间。

  步骤S3所述的窃听方截取发送方再次发送的信息光,通过波分复用后得到发送方发送的不同偏振态的波长光,从而得到发送方的偏振态信息,具体为采用如下步骤得到发送方的偏振态信息:

  A.窃听方截取发送方再次发送的信息光;

  B.将步骤A得到的信息光进行波分复用,从而得到三种波长的激光,分别为λ1、λ2和λ3,且λ1>λ2>λ3;

  C.采用如下规则,得到发送方的偏振态信息:

  若步骤B检测到波长为λ1的激光,则表明发送方发送了水平偏振态H的激光;

  若步骤B检测到波长为λ3的激光,则表明发送方发送了垂直偏振态V的激光;

  若步骤B检测到波长为λ2的激光,则将接收到的信息光经过半波片转换偏振角度后,再进行检测:若此时检测到波长为λ1的激光,则表明发送方发送了对角偏振态D的激光;若此时检测到波长为λ3的激光,则表明发送方发送了反对角偏振态A的激光。

  本发明还公开了一种实现所述自由空间量子密钥分发系统的攻击方法的攻击系统,包括分色镜、接收透镜、减光器、强激光器、波分复用模块、第三单光子探测器、第七激光器、第七偏振器、半波片、偏振分束器、第一单光子探测器、第五激光器、第五偏振器、第二单光子探测器、第六激光器、第六偏振器、第四单光子探测器、第八激光器、第八偏振器和发射透镜;分色镜设置在发送方与窃听方之间;在窃听方内部,接收透镜的输出端与减光器的第一输入端连接,强激光器的输出端与减光器的第二输入端连接,减光器的输出端连接波分复用模块的输入端;波分复用模块有三个输出端:波分复用第一输出端直接串接第三单光子探测器、第七激光器和第七偏振器;波分复用第二输出端串接半波片后连接偏振分束器的输入端,偏振分束器的第一输出端串接第一单光子探测器、第五激光器和第五偏振器,偏振分束器的第二输出端串接第二单光子探测器、第六激光器和第六偏振器;波分复用第三输出端串接第四单光子探测器、第八激光器和第八偏振器;第七偏振器的输出端、第五偏振器的输出端、第六偏振器的输出端和第八偏振器的输出端均连接至发射透镜的输入端;发射透镜的输出端作为窃听方的输出端;在窃听方攻击发送方时,强激光器产生强激光,并通过减光器和波分复用模块进行波分复用后,再通过第三单光子探测器、第七激光器和第七偏振器产生偏振态激光V,再通过发射透镜和分色镜发送到发送方,从而实现对发送方激光器的攻击;窃听方截取发送方再次发送的信息光后,信息光通过接收透镜接收后,通过减光器减光后,再通过波分复用模块得到发送方发送的不同偏振态的波长光λ1、λ2和λ3,且λ1>λ2>λ3,并进行检测:若步骤B检测到波长为λ1的激光,则表明发送方发送了水平偏振态H的激光;若步骤B检测到波长为λ3的激光,则表明发送方发送了垂直偏振态V的激光;若步骤B检测到波长为λ2的激光,则将接收到的信息光经过半波片转换偏振角度后,再进行检测:若此时检测到波长为λ1的激光,则表明发送方发送了对角偏振态D的激光;若此时检测到波长为λ3的激光,则表明发送方发送了反对角偏振态A的激光;窃听方制备相同的偏振态信息并发送给接收方时,当第三单光子探测器探测到有光子信息时,窃听方通过第七激光器产生激光信号,通过第七偏振器得到水平偏振态H的激光,并通过发射透镜发送到接收方;当第一单光子探测器探测到有光子信息时,窃听方通过第五激光器产生激光信号,通过第五偏振器得到对角偏振态D的激光,并通过发射透镜发送到接收方;当第二单光子探测器探测到有光子信息时,窃听方通过第六激光器产生激光信号,通过第六偏振器得到反对角偏振态A的激光,并通过发射透镜发送到接收方;当第四单光子探测器探测到有光子信息时,窃听方通过第八激光器产生激光信号,通过第八偏振器得到垂直偏振态V的激光,并通过发射透镜发送到接收方。

  本发明提供的这种自由空间量子密钥分发系统的攻击方法及其攻击系统,通过外部注入激光的方式影响发送方的激光波长,对不同偏振态激光的波长差异进行波分复用得到发送端的偏振态信息,实现成功窃听;因此本发明能够有效对自由空间量子密钥分发系统进行攻击,而且无需破坏量子信息,可在发送方与接收方均不知情的情况下完全复制其量子密钥,而且适用于单光子通信模式,可靠性高且实用性好。

  附图说明

  图1为现有常用的自由空间量子密钥分发系统的系统结构示意图。

  图2为本发明方法的方法流程示意图。

  图3为本发明系统的系统功能模块图。

  具体实施方式

  如图2所示为本发明方法的方法流程示意图:本发明提供的这种自由空间量子密钥分发系统的攻击方法,包括如下步骤:

  S1.窃听方制备强激光,并通过自由空间发送至发送方的发送端口;具体为窃听方采用飞秒激光器制备偏振态激光V;并将制备的偏振态激光V通过分色镜反射进入发送方的发射透镜;

  S2.步骤S1发送的强激光通过发送方的发送端口进入发送方内部,使得发送方内部的四个激光器发生改变,从而最终改变发送方的四个激光器的发射波长;

  由于发送方内部的光路结构,以及光传播的可逆性,窃听方发送到发送方的强激光,一定会沿着发送方的发送光路逆向进入发送方内部,并最终到达发送方内部的四个激光器上;

  具体实施时:窃听方制备的偏振态激光V通过发送方的发射透镜进入发送方内部,并通过发送方内部(如图1所示)的光路照射到发送方的四个激光器上:偏振态激光V被发送方的第四偏振器完全透射,因此发送方的第四激光器吸收了100%的偏振态激光V的能量;偏振态激光V被发送方的第三偏振器完全反射,因此发送方的第三激光器未吸收任何偏振态激光V的能量;偏振态激光V被发送方的第一偏振器和第二偏振器反射50%的能量并透射50%的能量,因此发送方的第一激光器与第二激光器均吸收了50%的偏振态激光V的能量;

  由于,射线能量与波长的关系为:其中E为射线的能量;h为普朗克常数;C为真空中的光速;λ为射线的波长;射线能量越高,波长越短;因此,发送方的四个激光器在被迫吸收了窃听方发送过来的强激光的能量后,四个激光器原本相等的参数将会改变,从而使得发送方产生了三种不同波长的激光:其中第三激光器的激光波长保持不变,第四激光器的激光波长最短,第一激光器和第二激光器的激光波长相等,介于第三激光器和第二激光器之间;从此,发送方在后续的偏振态制备中,第四激光器发出的激光波长最短,第三激光器发出的激光波长保持不变且波长最长,第一激光器与第二激光器发出的激光波长相等且介于第三激光器发出的激光波长与第四激光器发出的激光波长之间;

  S3.窃听方截取发送方再次发送的信息光,通过波分复用后得到发送方发送的不同偏振态的波长光,从而得到发送方的偏振态信息;具体为采用如下步骤得到发送方的偏振态信息:

  A.窃听方截取发送方再次发送的信息光;

  B.将步骤A得到的信息光进行波分复用,从而得到三种波长的激光,分别为λ1、λ2和λ3,且λ1>λ2>λ3;

  C.采用如下规则,得到发送方的偏振态信息:

  若步骤B检测到波长为λ1的激光,则表明发送方发送了水平偏振态H的激光;

  若步骤B检测到波长为λ3的激光,则表明发送方发送了垂直偏振态V的激光;

  若步骤B检测到波长为λ2的激光,则将接收到的信息光经过半波片转换偏振角度后,再进行检测:若此时检测到波长为λ1的激光,则表明发送方发送了对角偏振态D的激光;若此时检测到波长为λ3的激光,则表明发送方发送了反对角偏振态A的激光;

  S4.窃听方根据步骤S3获取的发送方的偏振态信息,制备相同的偏振态信息并发送给接收方,从而完成自由空间量子密钥分发系统的攻击。

  此外,在具体实施时,窃听方Eve的激光器发送的偏振态激光并不限于垂直偏振态V的激光,也可以是其他性质(如水平偏振态H、对角偏振态D或反对角偏振态A);此时,窃听方在截取收到攻击后的发送方发送的信息光后,窃听方在进行波分复用时,进行相应的调整,即可实现类似的偏振态检测过程,从而得到发送方的偏振态信息。

  如图3所示为本发明系统的系统功能模块图:本发明公开的这种实现所述自由空间量子密钥分发系统的攻击方法的攻击系统,包括分色镜、接收透镜、减光器、强激光器、波分复用模块、第三单光子探测器、第七激光器、第七偏振器、半波片、偏振分束器、第一单光子探测器、第五激光器、第五偏振器、第二单光子探测器、第六激光器、第六偏振器、第四单光子探测器、第八激光器、第八偏振器和发射透镜;分色镜设置在发送方与窃听方之间;在窃听方内部,接收透镜的输出端与减光器的第一输入端连接,强激光器的输出端与减光器的第二输入端连接,减光器的输出端连接波分复用模块的输入端;波分复用模块有三个输出端:波分复用第一输出端直接串接第三单光子探测器、第七激光器和第七偏振器;波分复用第二输出端串接半波片后连接偏振分束器的输入端,偏振分束器的第一输出端串接第一单光子探测器、第五激光器和第五偏振器,偏振分束器的第二输出端串接第二单光子探测器、第六激光器和第六偏振器;波分复用第三输出端串接第四单光子探测器、第八激光器和第八偏振器;第七偏振器的输出端、第五偏振器的输出端、第六偏振器的输出端和第八偏振器的输出端均连接至发射透镜的输入端;发射透镜的输出端作为窃听方的输出端;

  在窃听方攻击发送方时,强激光器产生强激光,并通过减光器和波分复用模块进行波分复用后,再通过第三单光子探测器、第七激光器和第七偏振器产生偏振态激光V,再通过发射透镜和分色镜发送到发送方,从而实现对发送方激光器的攻击;

  窃听方截取发送方再次发送的信息光后,信息光通过接收透镜接收后,通过减光器减光后,再通过波分复用模块得到发送方发送的不同偏振态的波长光λ1、λ2和λ3,且λ1>λ2>λ3,并进行检测:若步骤B检测到波长为λ1的激光,则表明发送方发送了水平偏振态H的激光;若步骤B检测到波长为λ3的激光,则表明发送方发送了垂直偏振态V的激光;若步骤B检测到波长为λ2的激光,则将接收到的信息光经过半波片转换偏振角度后,再进行检测:若此时检测到波长为λ1的激光,则表明发送方发送了对角偏振态D的激光;若此时检测到波长为λ3的激光,则表明发送方发送了反对角偏振态A的激光;

  窃听方制备相同的偏振态信息并发送给接收方时,当第三单光子探测器探测到有光子信息时,窃听方通过第七激光器产生激光信号,通过第七偏振器得到水平偏振态H的激光,并通过发射透镜发送到接收方;当第一单光子探测器探测到有光子信息时,窃听方通过第五激光器产生激光信号,通过第五偏振器得到对角偏振态D的激光,并通过发射透镜发送到接收方;当第二单光子探测器探测到有光子信息时,窃听方通过第六激光器产生激光信号,通过第六偏振器得到反对角偏振态A的激光,并通过发射透镜发送到接收方;当第四单光子探测器探测到有光子信息时,窃听方通过第八激光器产生激光信号,通过第八偏振器得到垂直偏振态V的激光,并通过发射透镜发送到接收方。

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