本發(fā)明涉及量子密鑰分發(fā)安全監(jiān)控，特別涉及基于連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的接收端本振光安全監(jiān)控，尤其是一種對(duì)于連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)的本振光的脈沖時(shí)域信息以及波長(zhǎng)的安全監(jiān)控技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著CV-QKD技術(shù)的不斷完善，目前正在向?qū)嵱没姆较虿粩嗲斑M(jìn)。雖然CV-QKD在理論上是無(wú)條件安全的，但是在實(shí)際系統(tǒng)中由于器件不完善等因素仍然存在安全性問(wèn)題。CV-QKD系統(tǒng)中的信號(hào)測(cè)量采用零差或外差探測(cè)，需要本振光需要與信號(hào)光復(fù)用在同一根光纖中傳輸。理論安全性證明中通常認(rèn)為本振光是安全的，但是在實(shí)際中，竊聽(tīng)者可以通過(guò)對(duì)本振光的操作使系統(tǒng)產(chǎn)生安全性漏洞。這些操作包括改變本振光的強(qiáng)度，脈沖形狀，以及波長(zhǎng)，從而改變參數(shù)估計(jì)得到過(guò)噪聲大小，隱藏竊聽(tīng)者的攻擊行為。

CV-QKD系統(tǒng)中Alice將高斯分布的密鑰加載在光場(chǎng)的正則分量上，Bob利用零差或外差探測(cè)獲得正則分量的測(cè)量值。平衡探測(cè)需要本振光與信號(hào)光進(jìn)行干涉，CV-QKD系統(tǒng)中通常由Alice產(chǎn)生一路經(jīng)典的本振光與量子化的信號(hào)光復(fù)用在同一根光纖中發(fā)送給Bob。Bob在接收端通過(guò)零差或外差探測(cè)對(duì)加載光場(chǎng)正則分量的密鑰信息進(jìn)行探測(cè)，利用測(cè)量結(jié)果進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，得到安全碼率即每個(gè)信號(hào)光脈沖中最多包含的信息量，如果安全碼率小于零，可以認(rèn)為本次密鑰分發(fā)是不安全的可能存在竊聽(tīng)。由于量子力學(xué)保證的安全性，竊聽(tīng)者在對(duì)密鑰信息進(jìn)行竊聽(tīng)的過(guò)程中必然會(huì)引入額外噪聲，在參數(shù)估計(jì)的過(guò)程將會(huì)被通信雙方察覺(jué)。然而在光纖中傳輸?shù)谋菊窆馐墙?jīng)典信號(hào)，很輕易就會(huì)被竊聽(tīng)者操作，竊聽(tīng)者可以通過(guò)改變本振光來(lái)改變Bob的測(cè)量結(jié)果，使通信雙方得到錯(cuò)誤的參數(shù)估計(jì)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)竊取密鑰并且不被發(fā)現(xiàn)。

為了解決CV-QKD系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中本振光的安全性問(wèn)題，我們提出了一種適用于連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的本振光安全監(jiān)控方法?，F(xiàn)有的針對(duì)本振光攻擊的方案都是針對(duì)某一種特定攻擊的防御，例如使用監(jiān)測(cè)本振光光功率的方案來(lái)抵御本振光強(qiáng)度波動(dòng)攻擊。這些防御方案都只能對(duì)已知的某種攻擊進(jìn)行防御，當(dāng)竊聽(tīng)采用幾種攻擊相結(jié)合或者使用未知的本振光攻擊時(shí)，系統(tǒng)的安全性仍然不能得到保證。因此這里提出的本振光安全監(jiān)控跟以往的本振光漏洞防御方案不同，不是針對(duì)某種特定的本振光攻擊，而是對(duì)本振光的特征進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而可以抵御所有對(duì)本振光進(jìn)行操作的攻擊。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

針對(duì)CV-QKD中本振光的安全性問(wèn)題，本發(fā)明一種適用于連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的接收端本振光安全監(jiān)控方法，是一種對(duì)CV-QKD本振光全面實(shí)時(shí)的監(jiān)控方法，可以得到本振光脈沖的時(shí)域信息和波長(zhǎng)變化，從而抵御本振光被操作的帶來(lái)的安全性問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提供的一種適用于連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)的接收端本振光安全監(jiān)控方法，包括三個(gè)步驟

步驟1：本振光安全監(jiān)控信號(hào)獲取步驟；

步驟2：本振光脈沖時(shí)域信息監(jiān)控步驟；

步驟3：本振光波長(zhǎng)監(jiān)控步驟。

其中三個(gè)步驟按順序依次進(jìn)行。

所述的本振光安全監(jiān)控信號(hào)獲取步驟是指通過(guò)使用合適比例系數(shù)的分束器，獲取一部分本振光信號(hào)用于安全監(jiān)控。包括如下步驟：

步驟1A：Bob對(duì)接收的本振光進(jìn)行分束操作，較強(qiáng)的一路用作零差或外差探測(cè)，較弱的一路進(jìn)行本振光安全監(jiān)控；

步驟1B：Bob對(duì)監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行分束操作，一路用于檢測(cè)本振光脈沖的時(shí)域信息，一路用于本振光的波長(zhǎng)監(jiān)控。

其中，所述步驟1A進(jìn)行的分束操作為不平衡分束，推薦使用10/90的比例關(guān)系，將90％的本振光用于平衡探測(cè)，10％的本振光用于安全監(jiān)控；所述步驟1B進(jìn)行的分束操作的比例關(guān)系可以為任意值，推薦使用50/50的比例關(guān)系。

所述的本振光脈沖時(shí)域信息監(jiān)控步驟是指用光電探測(cè)器測(cè)量監(jiān)控信號(hào)獲得本振光脈沖的時(shí)域信息。包括如下步驟：

步驟2A：Bob使用高靈敏度的光電探測(cè)器將本振光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；

步驟2B：Bob將光電二極管輸出的電信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大；

步驟2C：Bob用高速高精度的數(shù)據(jù)采集卡采集光電流得到本振光脈沖的時(shí)域信息。

其中，所述步驟2C中獲得的時(shí)域信息包括光脈沖的時(shí)間間隔以及幅值的均值和方差。

所述的本振光波長(zhǎng)監(jiān)控步驟是指將光纖光柵后監(jiān)控信號(hào)的測(cè)量結(jié)果與監(jiān)控信號(hào)的測(cè)量結(jié)果對(duì)比得到本振光波長(zhǎng)的變化。包括如下步驟：

步驟3A：監(jiān)控信號(hào)通過(guò)一個(gè)光纖光柵；

步驟3B：Bob使用高靈敏度的光電探測(cè)器將監(jiān)控信號(hào)轉(zhuǎn)化為光電流；

步驟3C：Bob將光電二極管輸出的光電流進(jìn)行低噪聲放大；

步驟3D：Bob用高速高精度的數(shù)據(jù)采集卡采集放大后的光電流得到本振光脈沖的時(shí)域信息。

步驟3E：Bob將步驟2C得到的結(jié)果與步驟3D中得到的結(jié)果對(duì)比分析本振光波長(zhǎng)的變化。

其中，所述步驟3D中獲得的時(shí)域信息包括光脈沖的時(shí)間間隔以及幅值的均值和方差。

所述步驟3A中使用的光纖光柵透射率滿足如下關(guān)系

$T=1-\frac{4|\mathrm{\κ}{|}^2{\sinh }^2\left(s_{B}L\right)}{4{s_B}^2{\cosh }^2\left(s_{B}L\right)+{{\mathrm{\Δ\β}}_B}^2{\sinh }^2\left(s_{B}L\right)}$

其中，κ為耦合系數(shù)，L為光纖光柵的長(zhǎng)度，β₀與β_j為傳播常數(shù)，為光纖光柵的空間頻率，

所述步驟3D判斷本振光波長(zhǎng)變化的方法：首先，選擇合適參數(shù)的光纖光柵，使本振光波長(zhǎng)的透射率為最大值T₀，通過(guò)對(duì)比步驟2C和3D中獲得的本振光脈沖幅值均值是否一致判斷本振光波長(zhǎng)是否變化。進(jìn)一步如果步驟2C和3D中獲得不同的均值A(chǔ)₀和A₁，計(jì)算得到光纖光柵對(duì)波長(zhǎng)監(jiān)控信號(hào)的透射率從而得到本振光波長(zhǎng)的變化結(jié)果。

(三)有益效果

1.本發(fā)明可以實(shí)時(shí)全面地獲取本振光脈沖的信息，從而判斷竊聽(tīng)者是否對(duì)本振光進(jìn)行了操作了，防止竊聽(tīng)者通過(guò)改變本振光而改變接收端的測(cè)量結(jié)果，可以有效防御本振光強(qiáng)度波動(dòng)攻擊、波長(zhǎng)攻擊、校準(zhǔn)攻擊以及其他由于本振光漏洞產(chǎn)生的安全性問(wèn)題。

2.本發(fā)明僅利用一小部分本振光實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控，不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。其中使用的器件為常用的商用化器件，易于實(shí)現(xiàn)和集成，不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的原理框圖

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過(guò)監(jiān)控本振光脈沖的時(shí)域信息以及波長(zhǎng)變化有效防御竊聽(tīng)者通過(guò)操作本振光對(duì)CV-QKD系統(tǒng)的攻擊，增強(qiáng)了CV-QKD系統(tǒng)的實(shí)際安全性。其具體實(shí)施方式如下：

1.本振光安全監(jiān)控信號(hào)獲?。築ob首先將輸入的本振光按照10/90的比例關(guān)系進(jìn)行分束操作，90％的一路用于平衡探測(cè)，10％的一路用于安全監(jiān)控。Bob在將安全監(jiān)控信號(hào)按照50/50的比例關(guān)系進(jìn)行份數(shù)操作，一路用于本振光脈沖時(shí)域信息監(jiān)控，一路用于本振光脈沖波長(zhǎng)監(jiān)控。

2.本振光脈沖時(shí)域信息監(jiān)控：Bob使用高靈敏度的光電探測(cè)器采集監(jiān)控信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，用高速高精度的數(shù)據(jù)采集卡采集放大后的電信號(hào)得到本振光脈沖的時(shí)域信息。

3.本振光波長(zhǎng)監(jiān)控：監(jiān)控信號(hào)首先通過(guò)一個(gè)光纖光柵，然后Bob使用高靈敏度的光電探測(cè)器采集監(jiān)控信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大，用高速高精度的數(shù)據(jù)采集卡采集放大后的電信號(hào)得到本振光脈沖的時(shí)域信息。由于光纖光柵是的透射率與波長(zhǎng)相關(guān)，如果本振光的波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)比兩路監(jiān)控信號(hào)的測(cè)量結(jié)果通過(guò)計(jì)算就可以發(fā)現(xiàn)本振光波長(zhǎng)的改變。

通過(guò)以上本振光監(jiān)控過(guò)程，可以實(shí)時(shí)獲得本振光的時(shí)域信息和波長(zhǎng)信息，可以判斷竊聽(tīng)者是否對(duì)本振光進(jìn)行了操作，從而解決了由于本振光被操作引起的實(shí)際安全性問(wèn)題。