中科大首次实现侧信道无关的量子密钥分发实验

澎湃新闻记者 王蕙蓉

2022-05-17 20:18 来源:澎湃新闻

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近日,中国科学技术大学潘建伟院士团队、济南量子技术研究院王向斌、张强等研究人员,以及中科院上海微系统所尤立星团队,首次实现了侧信道无关量子密钥分发的实验验证,相关成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。图片来自《物理评论快报》(Physical Review Letters)

图片来自《物理评论快报》(Physical Review Letters)

前述成果可以抵御任何针对现实量子密钥分发(QKD)实验系统探测端和源端出射光子的侧信道攻击,有助于进一步提升QKD现实安全性。
QKD基于量子力学基本原理,理论上可以为远程用户提供无条件安全的密钥交换。然而,实验实现和理论之间存在很大差距。在实际QKD系统中,由于现实器件并不完美,窃听者可以利用编码维度以外的侧信道,如光子频谱、发射时间、传播方向、空间角动量等来窃取密钥,这给现实QKD系统留下了潜在安全性漏洞。2012年,测量设备无关量子密钥分发(MDI-QKD)协议的提出将QKD系统探测端的安全性漏洞完全关闭,但从源端出射的光子仍然可能遭受侧信道攻击,从而降低现实系统的安全性。
2019年,济南量子技术研究院王向斌教授在其提出的“发送”或“不发送”双场量子密钥分发协议基础上,通过将无侧信道安全性漏洞的理想光源映射到现实的不完美光源上,提出了一种侧信道无关的QKD协议,该协议不仅可以抵御任何针对QKD系统源端出射光子的侧信道攻击,还继承了MDI-QKD协议免疫任何针对探测端攻击的特点,具有高安全性等级。侧信道安全QKD协议的示意图,图片来自论文

侧信道安全QKD协议的示意图,图片来自论文

基于前述理论协议,团队利用时频传输等关键技术精确控制两台独立激光器的频率,采用简单易行的“发送”或“不发送”方式编码光脉冲,并利用相位参考光来估计和补偿光纤的相对相位快速漂移,最终在50公里光纤中实现了侧信道无关的量子密钥分发。
研究成果表明,利用现有商用产品和成熟技术,可以在现实QKD系统中实现同时免疫任何针对源端出射光子和探测端的侧信道攻击。此外,团队分析了在提高实验系统性能条件下,该方案可以进行超过170公里的侧信道无关量子密钥分发。实验系统示意图,图片来自论文

实验系统示意图,图片来自论文

《物理评论快报》审稿人评价前述工作“在解决QKD领域中一个长期存在的问题,即实现安全性问题方面有很大的帮助。”此次研究获得科技部、国家自然科学基金委、山东省重点研发计划项目、山东省泰山学者建设工程、济南市和济南高新区资助。
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责任编辑:李跃群
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 侧信道,量子密钥分发,中国科学技术大学,济南量子技术研究院,中科院上海微系统所,《物理评论快报》,潘建伟

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