[發明專利]自由空間量子密鑰分發系統的攻擊方法及其攻擊系統

在審

• 申請號: 202010885226.X
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111901114A
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 黃端;朱穎彬
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04B10/70
• 代理公司: 長沙永星專利商標事務所(普通合伙) 43001
• 代理人: 周詠;米中業

本發明公開了一種自由空間量子密鑰分發系統的攻擊方法，包括竊聽方制備強激光并通過自由空間發送至發送方的發送端口；強激光通過發送方的發送端口進入發送方內部并改變發送方四個激光器的發射波長；竊聽方截取發送方再次發送的信息光并通過波分復用后得到發送方的偏振態信息；竊聽方制備相同的偏振態信息并發送給接收方并完成自由空間量子密鑰分發系統的攻擊。本發明還公開了實現所述自由空間量子密鑰分發系統的攻擊方法的攻擊系統。本發明能夠有效對自由空間量子密鑰分發系統進行攻擊，而且無需破壞量子信息，可在發送方與接收方均不知情的情況下完全復制其量子密鑰，而且適用于單光子通信模式，可靠性高且實用性好。

技術領域

本發明屬于量子通信領域，具體涉及一種自由空間量子密鑰分發系統的攻擊方法及其攻擊系統。

背景技術

隨著經濟技術的發展和人們生活水平的提高，信息安全已經成為了全世界人們關注的重點。近些年來隨著量子計算的興起，傳統密碼學基于計算復雜度的安全體系正面臨巨大危機。由于量子力學保證的無理由安全性，量子密鑰分發正受到越來越多的關注。

量子密鑰分發系統主要有基于光纖的量子密鑰分發與自由空間量子密鑰分發。光纖中的量子密鑰分發，雖然商業化程度較高，但是光纖的衰減較大，損耗較高，而且需要大面積敷設光纜，成本高昂。而在自由空間中，量子密鑰傳輸的衰減小，特別是外太空中，幾乎沒有損耗，因此有著用于超長距離量子密鑰分發的潛力。

自由空間量子密鑰分發系統通常使用偏振態對信息進行編碼。產生偏振態的方法主要有兩種，一種是使用單個激光器調制產生偏振態，另一種是使用四個激光器產生不同的偏振態。使用單激光器的方案生成速率低，因此目前研究多為四激光器自由空間量子密鑰分發系統。

一個典型自由空間量子密鑰分發系統如圖1所示。發送方Alice通過四個激光器和四個偏振器產生四種不同的偏振態。第一激光器發射的激光經過第一偏振器后得到對角偏振態(D)；第二激光器發射的激光經過第二偏振器后得到反對角偏振態(A)；第三激光器發射的激光經過第三偏振器后得到水平偏振態(H)；第四激光器發射的激光經過第四偏振器后得到垂直偏振態(V)。產生的四種偏振態激光經過三個分束器后合為一株激光，經過發射透鏡后送至自由空間中傳輸，然后被接收端Bob的接收透鏡接收。Bob接收到信號后使用單光子探測器測得光子信號，并隨機使用水平豎直基或對角基對信號檢測。其中使用水平豎直基可以檢測偏振態H和V，使用對角基可以檢測偏振態D和A。最后，Alice和Bob在信道中公開他們使用的基矢，舍棄不同基矢測得的偏振態，保留相同基矢下的偏振態。這樣發射端和接收端就獲得了一組相同的量子密鑰，實現了一次標準自由空間量子密鑰分發。

通常，為了防止竊聽者Eve得到Alice發送的偏振態，Alice所使用的四個激光器參數特性是一樣的，產生的偏振態波長相同，杜絕了Eve依靠不同波長區分出偏振態而達到竊聽的目的。而且，發送方Alice每次通信時，一般只發射一個光子，即采用單光子通信模式，從而防止竊聽者通過竊取大量的信號光、測量信號光的Stokes參量從而判斷信號光的偏振態。因此，目前尚沒有一種通信模式的穩定且有效的攻擊方法。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種適用于單光子通信模式，攻擊時不破壞量子信息，而且能夠在發送方和接收方均不知情的情況下完成攻擊的自由空間量子密鑰分發系統的攻擊方法。

本發明的目的之二在于提供一種實現所述自由空間量子密鑰分發系統的攻擊方法的攻擊系統。

本發明提供的這種自由空間量子密鑰分發系統的攻擊方法，包括如下步驟：

S1.竊聽方制備強激光，并通過自由空間發送至發送方的發送端口；

S2.步驟S1發送的強激光通過發送方的發送端口進入發送方內部，使得發送方內部的四個激光器發生改變，從而最終改變發送方的四個激光器的發射波長；