中国科大在量子密钥分发的实际安全性研究方面取得重要进展

中国科学技术大学郭光灿院士团队在量子密钥分发（QKD）的实际安全性研究方面取得重要进展。该团队韩正甫、王双、银振强、陈巍等发现了QKD发送端调制器件的一种潜在安全性漏洞；进一步利用该漏洞完成的量子黑客攻击实验表明，当QKD的发送端未对该漏洞进行严格防护时，攻击者有可能利用其获取全部的密钥信息。上述两项成果分别在线发表在《光学》（Optica）和《应用物理评论》（Physical Review Applied）上，并入选当期的编辑推荐工作。 k$J zH$  
QKD理论上可以在用户之间生成信息论安全的密钥，而实际设备的非理想特性可能会与理论假设不符，从而被窃听者利用。因此，对QKD系统的实际安全性进行全面而深入的分析，进而设计更完善、更安全的实际系统，是推进QKD实用化的重要环节。郭光灿、韩正甫研究组在QKD系统的实际安全性分析及攻防技术上取得了一系列研究成果，包括发现探测设备的雪崩过渡区控制漏洞、提出针对探测设备控制攻击的可变衰减防御方案、研制无需探测表征的量子随机数发生器、设计消除编码偏差的容错增强协议等。 ,\n&I(  
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该研究组提出了通过外部注入光子操控QKD发送端核心器件的工作状态，进而窃取密钥的攻击思想。研究组提出和分析了在商用铌酸锂器件中较显著的光折变效应对QKD的影响，进而设计和验证了对BB84协议QKD系统的攻击方案。实验结果表明，攻击者仅需从外部注入3nW的诱导光，就能成功地实施攻击。该团队进一步对测量设备无关型QKD系统设计了发送端攻击方案：攻击者在测量发送端发出的所有量子态的同时，通过注入诱导光引发发送端铌酸锂调制器的光折变效应，从而隐藏其测量行为引起的扰动。研究组利用这一方案完成了首个对运行中的测量设备无关QKD系统的量子黑客攻击实验，证明在不被察觉的情况下，窃听者可以获取几乎全部的密钥。针对以上安全性漏洞和攻击方法，研究组提出了可以有效防御该漏洞的系统设计思路和技术实现方案，并验证了通过良好的系统设计和优化的器件使用方式，可以有效提升QKD系统的实际安全性。 6ne7]RY  
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上述成果为提升QKD系统的实际安全性研究打开了新窗口，发掘和分析了发送端潜在漏洞及其对系统实际安全性带来的威胁，提出了相应的解决方法。该成果有助于引发领域研究人员对QKD实际安全性的更深入、更全面的思考，对推动QKD的实用化和标准化具有重要意义。 ,N[7/kT|  
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研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国博士后科学基金会、中国科学院和安徽省的支持。 \$e)*9)  
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论文链接：1.https://doi.org/10.1364/OPTICA.485389 Dq5j1m.  
2.https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.054052