量子密钥分发技术安全测评国际标准提案研究

阐述中国在ISO/IEC JTC1/SC27 WG3工作组牵头立项的《量子密钥分发技术的安全要求、测试和评估方法》国际标准项目的立项背景、技术内容和研究进展。该标准的目标是在通用评估准则的框架下给量子密钥分发设备提供一套系统的安全要求、测试和评估方法。该标准针对成熟的量子密钥分发协议,测评内容涵盖了量子密钥分发设备中的经典密码模块和光学模块。

量子密钥分发技术在商用密码领域的应用路线分析

当前,量子计算、大数据、物联网、人工智能等新技术对信息安全提出了更高的应用和防护要求。商用密码作为应用最广泛、社会关系最密切的信息安全应用与防护体系,也具有新使命。今年7月1日,新修订的《商用密码管理条例》正式施行,从技术创新、应用管理、体系建设等方面作出要求和引导。量子密钥分发(QKD)作为量子密码领域最具实用化潜力的技术,已成为现有商用密码体系的有益补充,部署及使用条件不断成熟,但也面临降低成本、拓展场景、完善测评机制等问题。需要“产学研用管”多方协同,加快新域新质能力落地。

用于量子密钥分发系统的单光子探测器控制软件

单光子探测器是量子密钥分发系统的核心组成部分,其性能和安全性对QKD系统有着重要影响。为实现对量子密钥系统中单光子探测器的标定和监控,本文基于C++/Qt技术设计了一种单光子探测器控制软件系统,实现了对单光子探测器的测量控制、数据存储分析、数据可视化显示等功能。该软件基于模块化、层次化思想,设计了易于扩展的系统架构,具备交互友好的图形用户界面,兼容千兆以太网口、RS232串口的通信接口,可满足不同应用场景下数据传输的需求。所设计的控制软件具备单光子探测器控制、性能标定、状态监测、异常告警、攻击事件检测预警等功能,可大大提高单光子探测产品性能标定、状态检测、安全防护的工作效率,保障探测器产品的安全稳定运行,从而保障QKD系统的安全性。

开放型量子保密通信系统架构及共纤传输技术研究与实验

量子保密通信因其具有理论上的无条件安全性,在国防、金融、政务、商业等领域的应用潜力巨大,同时也对通信网络提出了一定的要求。在研究量子保密通信的基础上,提出了开放型量子保密通信的系统架构;同时为了更好地与现有通信系统融合,提出了一种量子密钥分发(QKD)系统与大容量光通信系统共纤传输方案,并通过实验验证了QKD系统和80×100 Gbit/s DWDM系统共纤传输的可行性,在超过100 km共纤(G.654超低损光纤)传输条件下同时实现了QKD成码率超1 kbit/s和8 Tbit/s DWDM系统无误码传输。

基于时分复用技术的量子密钥分发系统

基于时分复用技术,采用一个单光子探测器(SPD)设计了基于BB84.协议的量子密钥分发(QKD)系统.在接收端不同偏振态信号光的光路上依次增加6 m的延时光纤,使得不同偏振态信号光到达SPD的时间相应地依次相差30 ns.在信号光与同步光精准同步的前提下,接收端对不同偏振态信号光的探测门进行编号,SPD在不同编号的探测门处探测相应的偏振态光子.安全分析表明该QKD系统能够经受窃听者采取的截取-重发攻击,确保通信安全可靠.该QKD系统成功应用于520 m的QKD实验,成码率为4.00 kbps,误码率为1.5%。

量子通信技术助力“新基建”信息安全

数字基础设施是"新基建"的重心和基础,而信息安全是当前建设数字基础设施的重要前提。以量子通信和量子计算为代表的量子信息技术是当前国际热门的战略性科技方向,我国在这一领域处于国际前列,特别是量子通信技术在信息安全领域已有较明确的应用模式,在国内外都受到了广泛关注和大力推进。

基于量子保密通信技术的经典网络加密方案

基于量子力学原理的量子保密通信技术近年来得到了较快的发展,可以为用户提供理论上绝对安全的通信服务,因此在信息安全领域受到了广泛重视。随着技术的发展,经典通信网络为人们提供了越来越方便的接入条件,然而网络攻击事件每年时有发生,给个人、企业和国家造成了巨大的损失。本文针对经典网络的特点,引入量子保密通信的概念,将量子保密通信技术应用于经典网络,多角度提出基于量子保密通信技术的经典网络加密方案,有效保护经典网络的数据安全。

量子密钥分发系统防死时间攻击方案研究

为进一步提升量子密钥分发(QKD)技术的实用性和安全性,挖掘QKD系统中可能存在的安全漏洞并研究相应的防御策略是该领域的一个重要研究方向。死时间攻击是一种针对具有多通道探测器的QKD系统的攻击方式,攻击者利用单光子雪崩光电二极管的死时间效应实现对指定通道的致盲以破坏QKD系统生成密钥的安全性。针对该类型攻击,提出了一种能够有效防范攻击的基于时间测量的动态死时间设置方案,该方案通过使用TDC时间测量技术确保多通道探测器能够同步进入与退出死时间状态从而实现防御目标。经试验平台验证,该方案具备可行性。

一种用于量子密钥分发系统的脉冲光致盲攻击防御方案

在量子密钥分发系统中,强光致盲攻击利用单光子探测器在实际工作中可能存在因强光导致的线性探测模式,实现对单光子探测器输出0或1的控制,从而实施密钥窃取。针对前人提出的新型脉冲光致盲攻击方案可能存在的漏洞,提出了一种基于分光检测的脉冲光致盲攻击防御方案。在现行通过检测器件工作电流大小来判断是否有强光攻击存在的防御措施基础上,该方案在单光子探测器被致盲之前实现强脉冲光的100%检测,从而关闭脉冲光致盲攻击的检测漏洞,提升量子密钥分发系统的安全性。

InGaAs/InP高速正弦门控单光子探测器后脉冲抑制方案

基于量子力学基本原理的量子密钥分发(QKD)系统具有信息论安全的水平,单光子探测器是QKD系统的重要组成,其后脉冲对QKD系统的安全成码率和安全成码距离均有重要影响。文中根据InGaAs/InP高速正弦门控探测器的后脉冲概率随时间呈现指数递减分布的规律,提出了一种基于时间测量的后脉冲抑制方案,采用“Start-Stop型”时间间隔测量方式对探测脉冲进行测量,通过对探测事件进行时间标记并舍弃一段时长内探测脉冲的方法降低了后脉冲概率。实际验证了某型号单光子探测器的后脉冲概率随舍弃时长的关系,在500 ns舍弃时长条件下,后脉冲概率2.46%,增加舍弃时长至5μs可降低后脉冲至2%以下。同时,分析了100 ns舍弃时长条件下的典型探测脉冲计数分布,指出了主要后脉冲分布区域以及未过甄别阈值的雪崩脉冲引起的后脉冲机理。进一步地,指出基于时间测量方式区分探测脉冲的到达时间不仅可用于降低单光子探测的后脉冲概率,还可以根据探测脉冲的到达时间识别雪崩过渡区攻击事件、门外攻击事件,从而丢弃被攻击区域的探测脉冲来提升QKD系统抗量子黑客攻击的能力,可支撑高速正弦门控单光子探测器应用于实用化的QKD系统。

基于量子密钥分发系统的TCP/IP模块实现

量子保密通信设备集成化是目前的趋势,而量子密钥分发系统是其中的关键.本文针对该系统中对安全性和系统性能的需求,提出了一种基于硬件的TCP/IP协议处理结构.该结构采用数字电路设计方法,实现了TCP/IP协议中网络层和传输层的相关功能,并通过AHB接口集成到系统芯片中.该结构作为独立的网络数据处理模块能够减轻CPU的计算负担,同时设置该模块以自定义端口方式工作,将量子域与经典网络隔离,降低密钥泄露风险.测试结果显示该结构可达到450Mbps的数据吞吐率,能够满足量子密钥分发中网络带宽的需求.

量子密钥分发光源时序校准系统设计

针对量子密钥分发终端设备中八路量子态光信号在设备出口处存在固有时间偏差的问题,设计了一套以TDC-GPX为核心的量子密钥分发光源时序校准系统。系统对量子态光信号进行光电转换、信号调理,使用高精度时间间隔测量芯片TDC-GPX分时对调理后的脉冲电信号进行采集,并通过FPGA进行数据处理,调整八路光信号的发光时间,使其满足在时间上的不可分辨性。测试结果表明,系统测量精度小于80 ps,用于实际量子密钥分发待校准设备中的校准性能良好,满足校准要求。

量子通信设备在金融信息领域的应用与研究

对于金融信息服务来说,海量数据的合理存储、有效管理维护、高效传输、高效查询,以及可靠性、安全性、私密性和高性能的数据分析计算是主要难题;而在目前可实用化保密通信体系中唯有量子保密通信具有严格的安全性证明。应用量子保密通信原理性技术手段,在物理层上实现金融数据量子加密传输与存储解决方案,作为未来金融与资讯领域的先进通信安全技术手段储备,有望满足未来金融与资讯领域的通信安全重大需求。本文提出了在金融信息领域量子通信设备的若干研究课题和方向,对于后续量子通信的推广和应用有着重要意义。

用于量子密钥分发的半导体激光器温控系统

由于量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)系统对光源的稳定性要求极高,尤其是激光器发出光的波长和光强的稳定性,直接影响了系统的成码率。由此,针对分布反馈式(distributed feedback,DFB)激光器的温度特性,设计一种有效的温度控制系统。系统以FPGA为控制核心,采用增量式PID算法,对DFB激光器的工作温度进行实时监控。采用热电制冷控制芯片MAX8520作为半导体制冷器(thermoelectric cooler,TEC)的驱动芯片。利用集成于DFB激光器内部的负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻构成温度采集模块,组成闭环负反馈结构。通过实验测试,温度控制精度可达±0.03℃,波长漂移可控制在0.01 nm以内。该温控系统具有电路体积小、效率高和可靠性高等特点,可为激光器提供稳定的温度控制,以保证QKD系统的光源波长的稳定性。

量子密钥分发产品随机数芯片阵列方案研究

针对量子密钥分发(QKD)技术的市场化需求,提出一种应用于QKD产品的随机数源实现方案及高速自检算法。采用商用的WNG-8噪声源搭建芯片阵列作为随机数源,并通过异或的方式提升随机数可靠性。根据国家相关标准要求,基于现场可编程门阵列(FPGA)设计了一种高速扑克自检算法方案,通过优化判断策略,并对检测数据流实行乒乓切换控制和并行统计,实现了3.8 Gbps的处理带宽,并预留进一步提升至10 Gbps处理带宽的能力,以满足未来高速QKD产品随机数源实时检测需求。

两种基于量子通信的加密方案在工业互联网中的应用

基于量子力学原理的量子通信具有不可窃听、不可破译的特点,能够保证数据在存储、传输过程中的安全性和完整性,从理论上保证数据的绝对安全。同时,随着互联网产业的深入发展和运营商对网络建设的大力投资,基于NB-IOT网络的工业互联网近年来得到了迅速的发展,其产生的数据量不断攀升,但面临的数据安全性问题也同时凸显。本文结合量子通信的特点,创造性地将量子通信和工业互联网相结合,提出两种新的保护工业互联网数据安全的方法。

量子保密通信中光纤光栅的波长稳定性研究

为了改善量子保密通信设备中所用光纤布拉格光栅的长期波长稳定性,从工艺角度提出了采用特殊光纤涂覆层材料对常规的光纤光栅加以改进,并制作了基于新工艺的双金属温度补偿光纤光栅样品。理论研究了温度和应力等因素对光纤光栅中心波长的影响,分析了光纤光栅温度补偿的原理和方法。通过高温加速老化的方法,监测了所制作的新工艺光纤光栅样品在等效3年时间内中心波长变化情况,同时对比测试了原有工艺的部分样品。分析了所制作的光纤光栅在特定传输距离时应用于量子保密通信中的滤波特性。结果表明,新工艺的光纤光栅在3年等效老化时间内,中心波长漂移量均在产品允许的最大漂移范围内,较常规的光纤光栅工艺有较大改善,满足设备长期运行时对波长漂移精度的使用要求。

测量设备无关类量子密钥分发研究进展

2012年提出的测量设备无关量子秘钥分发(MDI-QKD)协议,将所有测量端安全漏洞同时关闭。MDI-QKD及其之前的QKD协议的成码率和信道传输效率均呈线性关系,都存在PLOB界。2018年提出的双场量子密钥分发(TF-QKD)协议不仅具有测量设备无关特性,还可突破PLOB界,将成码效率提高到与信道传输效率的平方根相关。通过梳理MDI-QKD、TF-QKD协议及其各种变种协议的理论和实验进展,简要总结其特点,并对其未来发展进行了展望。

微型化自由运行InGaAs/InP单光子探测器(特邀)

单光子探测器具有最高的光探测灵敏度,在激光雷达系统中使用单光子探测器可以极大提升系统的综合性能。近红外二区(1.0~1.7μm)激光具有大气透过率高、散射弱、太阳背景辐射弱等优势,是大气遥感、三维成像等激光雷达系统的理想工作波段。研制了一种基于InGaAs/InP负反馈雪崩光电二极管的微型化自由运行单光子探测器。该探测器长宽高为116 mm×107.5 mm×80 mm,在1.5μm最大探测效率超过35%,时间抖动(半高宽)低至80 ps。为满足激光雷达系统对光子飞行时间测量的需求,探测器内部集成时间数字转换(TDC)功能,时间精度100 ps。同时,探测器集成一套后脉冲修正及计数率修正算法,可以有效降低探测器所引起的雷达信号畸变。

单光子探测器制冷系统研究

负反馈雪崩光电二极管是一款单片集成负反馈电阻的砷化镓铟雪崩光电二极管光子计数器件。在基于负反馈雪崩光电二极管的单光子探测器中,高灵敏度的制冷系统是保障其正常工作的必备条件。采用被动制冷和主动制冷相结合的方式,设计了一套高灵敏度制冷系统。通过理论计算、仿真和实测该制冷系统,表明该系统内部功耗降低58.63%,且在室温25℃和高温65℃环境下,该系统均能使负反馈雪崩光电二极管工作温度控制在(−20±0.3)℃,具有环境适应性强、制冷温差大、制冷温度可控等优点。