量子密鑰分配(quantum key distribution,QKD)是量子保密通信的重要組成部分,理論上可以為通信雙方提供無(wú)條件安全的密鑰分發(fā),量子力學(xué)基本原理保證了QKD的理論安全性。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,實(shí)際器件與理論模型總是存在一定的差距,這種不完美性給QKD系統(tǒng)帶來(lái)了各種各樣的安全隱患,其中單光子探測(cè)器(single photon detector,SPD)的實(shí)際安全性尤為重要,且是目前制約QKD安全碼率的主要因素。本文圍繞高速量子密鑰分配系統(tǒng)中單光子探測(cè)器的實(shí)際安全性,針對(duì)目前高速Q(mào)KD系統(tǒng)中已經(jīng)投入使用的兩種單光子探測(cè)器——正弦門(mén)控濾波型高速單光子探測(cè)器(SG-SPD)和超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器(SNSPD)展開(kāi)漏洞挖掘方法研究,主要成果如下:1.正弦門(mén)控濾波型單光子探測(cè)器濾波漏洞挖掘原理分析。正弦門(mén)控濾波型單光子探測(cè)器時(shí)鐘頻率可達(dá)GHz量級(jí),是目前高速Q(mào)KD系統(tǒng)常用的單光子探測(cè)器之一,針對(duì)它的實(shí)際安全性分析和漏洞挖掘方法研究還不充分。首先,我們通過(guò)開(kāi)展SG-SPD工作原理與參數(shù)特性分析,從SG-SPD系統(tǒng)探測(cè)效率、后脈沖、計(jì)數(shù)率的數(shù)學(xué)模型出發(fā),建立實(shí)際條件下對(duì)應(yīng)的參數(shù)模型,從中查找出SG-SPD在噪聲抑制模塊產(chǎn)生的濾波漏洞;進(jìn)而,我們對(duì)SG-SPD中的雪崩信號(hào)、門(mén)控噪聲抑制等核心元素建立數(shù)學(xué)模型,并在Matlab中對(duì)SG-SPD探測(cè)過(guò)程進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果顯示,SG-SPD的噪聲抑制模塊對(duì)趨于周期化的雪崩信號(hào)有明顯濾除作用,即SG-SPD存在濾波漏洞可被強(qiáng)光致盲。2.正弦門(mén)控濾波型單光子探測(cè)器濾波漏洞挖掘?qū)嶒?yàn)�；赟G-SPD漏洞挖掘原理,我們?cè)O(shè)計(jì)SG-SPD濾波漏洞挖掘?qū)嶒?yàn)方案,并利用正弦門(mén)控濾波型單光子探測(cè)器、時(shí)鐘與同步系統(tǒng)、皮秒脈沖激光器三個(gè)模塊構(gòu)建了SG-SPD濾波漏洞挖掘?qū)嶒?yàn)平臺(tái);其次,我們?cè)谠撈脚_(tái)上開(kāi)展SG-SPD漏洞挖掘?qū)嶒?yàn),通過(guò)使用強(qiáng)光致盲SG-SPD,使其計(jì)數(shù)率降低至暗計(jì)數(shù)水平,進(jìn)一步,通過(guò)添加不同于SG-SPD門(mén)控頻率的控制光,實(shí)現(xiàn)了對(duì)SG-SPD的控制;最后,針對(duì)SG-SPD對(duì)控制光的響應(yīng)呈現(xiàn)超線(xiàn)性特性這一現(xiàn)象,我們分析了SG-SPD濾波漏洞在實(shí)際QKD系統(tǒng)中可能導(dǎo)致的攻擊,并給出了針對(duì)該濾波漏洞的解決方案。3.超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器死時(shí)間漏洞挖掘原理分析。SNSPD以高時(shí)間分辨率、高探測(cè)效率、低暗計(jì)數(shù)率、低時(shí)間抖動(dòng)等優(yōu)異綜合性能,近些年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注,但是針對(duì)SNSPD的實(shí)際安全性分析和漏洞挖掘方法研究還不充分。首先,我們通過(guò)開(kāi)展SNSPD的工作原理與參數(shù)特性分析,從SNSPD的系統(tǒng)探測(cè)效率模型、電熱模型與納米線(xiàn)動(dòng)態(tài)電感模型出發(fā),建立實(shí)際條件下對(duì)應(yīng)的參數(shù)模型;進(jìn)一步,通過(guò)研究SNSPD死時(shí)間內(nèi)的參數(shù)變化,分析SNSPD電阻、溫度、偏置電流之間的關(guān)系,我們發(fā)現(xiàn)了SNSPD在死時(shí)間內(nèi)對(duì)強(qiáng)光仍然會(huì)產(chǎn)生響應(yīng),從而挖掘出SNSPD死時(shí)間漏洞;最后,我們給出了實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)SNSPD死時(shí)間漏洞挖掘的思路。4.超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器死時(shí)間漏洞挖掘?qū)嶒?yàn)。首先,基于SNSPD死時(shí)間漏洞挖掘原理,針對(duì)SNSPD死時(shí)間內(nèi)可以響應(yīng)強(qiáng)光這一安全漏洞,我們?cè)O(shè)計(jì)SNSPD單光子探測(cè)平臺(tái),并通過(guò)測(cè)試SNSPD死時(shí)間內(nèi)的響應(yīng)特性,在實(shí)驗(yàn)中證明SNSPD在死時(shí)間內(nèi)可以響應(yīng)強(qiáng)光。然后,通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn),在72光子/脈沖的弱觸發(fā)脈沖下,SNSPD對(duì)控制光的響應(yīng)呈現(xiàn)出超線(xiàn)性特性,這種超線(xiàn)性特性可以被攻擊者Eve利用獲取密鑰。最后,以相位編碼的QKD系統(tǒng)為例,我們分析了Eve利用SNSPD死時(shí)間漏洞進(jìn)行截取重發(fā)攻擊并獲取密鑰的過(guò)程。
【學(xué)位單位】：戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN918;O413
【部分圖文】：

戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)碩士學(xué)位論文圖 2.1 QKD 偏振編碼示意圖單，容易控制，但是偏振方向易受環(huán)境影響，一般效應(yīng)和雙折射效應(yīng)比較微弱，光子的偏振態(tài)受影空間的信道傳輸適合使用偏振編碼。用光的相位編碼信息，量子保密通信中的相位調(diào)der，M-Z）干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 干涉儀的示意圖，M-Z 干涉儀有兩條臂，每條臂，如果 M-Z 干涉儀的兩條臂臂長(zhǎng)相等，則稱(chēng)為 M束光通過(guò) M-Z 干涉儀時(shí)存在光程差，稱(chēng)為 M-Z說(shuō)，受環(huán)境條件影響，兩條臂很難做到完全等長(zhǎng)，條臂不完全相等，干涉效果就會(huì)變差，因此在系好的干涉效果。

圖 2.3 QKD 相位編碼示意圖實(shí)際 QKD 系統(tǒng)中，圖 2.3 所示的單等臂干涉儀相位編碼 QKD 系統(tǒng)受環(huán)境影響嚴(yán)法長(zhǎng)距離傳輸，實(shí)際中常采用雙不等臂 M-Z 干涉儀增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，并實(shí)現(xiàn)抗干擾性定程度高的相位編碼。2 QKD 系統(tǒng)中的單光子探測(cè)器在量子保密通信領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定和實(shí)時(shí)高碼率是量子密鑰分配（QKD）的兩大目標(biāo)，而目前來(lái)說(shuō)，QKD 碼率的主要制約因素依然是單光子探測(cè)器(single phtector/detection, SPD)。本節(jié)對(duì) QKD 中常用單光子探測(cè)器的種類(lèi)及性能指標(biāo)作出簡(jiǎn)要。2.1 單光子探測(cè)器性能指標(biāo)目前，實(shí)際 QKD 系統(tǒng)大多使用單光子作為信息載體，因此單光子探測(cè)對(duì) QKD 實(shí)際性非常重要，單光子探測(cè)器的性能和安全關(guān)系著整個(gè) QKD 系統(tǒng)的性能與安全�，F(xiàn)代 Q統(tǒng)需要高速、高探測(cè)效率的單光子探測(cè)器，在這一點(diǎn)上，基于光電倍增管[38]和硅雪崩二極管[39]的單光子探測(cè)器雖然已經(jīng)發(fā)展成熟，但重復(fù)頻率低且僅能工作在可見(jiàn)光或紫

第二章 基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)電信號(hào)和入射光強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系，APD 的增益因子不能滿(mǎn)足單光子探測(cè)需下，APD 兩端的電壓超過(guò)其擊穿電壓，APD 發(fā)生自持雪崩，增益因子接近無(wú)APD 的吸收層可以吸收能量微弱的單光子產(chǎn)生載流子，在電場(chǎng)作用下，高能層的價(jià)帶電子碰撞產(chǎn)生新的載流子，以此類(lèi)推，雪崩效應(yīng)可以放大微弱的電探測(cè)的電流。由于不管是單個(gè)光子還是多個(gè)光子，其最終引起的雪崩電流不，所以 InGaAS/InP 高速單光子探測(cè)器不具有光子數(shù)分辨能力。圖 2.4s/InP-APD 的基本結(jié)構(gòu)，其中 APD 各層作用如下： InGaAs 層：吸收層，用于吸收光子，把光子轉(zhuǎn)換成為載流子，該層的厚度會(huì)收效率。 異質(zhì)過(guò)渡層：避免載流子積累使其進(jìn)入倍增層。 電場(chǎng)調(diào)控層：調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度，在微弱電流下實(shí)現(xiàn)高的雪崩增益。 InP 層：倍增層，將以上產(chǎn)生的載流子進(jìn)行雪崩放大，InP 層如果太厚，后脈，InP 層的缺陷與雜質(zhì)就是后脈沖的主要來(lái)源。

【參考文獻(xiàn)】

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1 WeiJun Zhang;LiXing You;Hao Li;Jia Huang;ChaoLin Lv;Lu Zhang;XiaoYu Liu;JunJie Wu;Zhen Wang;XiaoMing Xie;;NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature[J];Science China(Physics,Mechanics & Astronomy);2017年12期

2 尤立星;申小芳;楊曉燕;;超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器件的單光子響應(yīng)[J];科學(xué)通報(bào);2009年16期

本文編號(hào)：2828888