一種連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)安全防御方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信息安全技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，涉及一種基于散粒噪聲方差監(jiān)控的 連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)（CVQKD)安全防御方法。
[0002] 本方法即是針對(duì)這一系列的攻擊方法提出的防御技術(shù)。另外，由于該方法檢測(cè)安 全性基于實(shí)時(shí)密鑰率，還可以檢測(cè)一般集體攻擊。
【背景技術(shù)】
[0003] 隨著信息安全越來(lái)越受到關(guān)注，具有獨(dú)特安全性的量子保密通信也逐漸被大家所 熟悉，其中離散變量量子保密通信技術(shù)經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，已經(jīng)具有商用產(chǎn)品出現(xiàn)。連續(xù) 變量量子保密通信技術(shù)出現(xiàn)相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，目前正在進(jìn)行應(yīng)用化的研宄。和離散變 量技術(shù)一樣，連續(xù)變量QKD也具有無(wú)條件安全性。然而不論是離散變量還是連續(xù)變量技術(shù)， 其QKD系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的安全性目前還是一個(gè)研宄熱點(diǎn)，即系統(tǒng)會(huì)由于自身模塊或者軟 件算法在運(yùn)行時(shí)的非理想性引入漏洞，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的不安全性。其中一種重要的攻擊手 段就是改變系統(tǒng)的散粒噪聲方差標(biāo)度，從而隱藏攻擊行為。
[0004] CVQKD可以讓分隔兩地的通信雙方，Alice和Bob，通過(guò)量子信道和經(jīng)過(guò)認(rèn)證的經(jīng) 典信道獲得密鑰。在CVQKD協(xié)議中，Alice利用高斯調(diào)制將信息調(diào)制在光場(chǎng)的正則分量上， Bob可利用高效率的Homodyne或Heterodyne檢測(cè)器提取密鑰信息。
[0005] 近年來(lái)，CVQKD在理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面取得了明顯進(jìn)展。在實(shí)驗(yàn)上，如基于 光纖的高斯調(diào)制相干態(tài)協(xié)議的QKD系統(tǒng)，已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了 80公里的密鑰分發(fā)。在理論方 面，CVQKD協(xié)議在有限長(zhǎng)密鑰情況下的無(wú)條件安全性也已經(jīng)得到證明。在實(shí)際系統(tǒng)安全性 分析方面，各國(guó)學(xué)者提出了多種針對(duì)基于離散變量QKD實(shí)驗(yàn)方案的攻擊策略，如針對(duì)光源 的隨機(jī)性缺陷，以及針對(duì)編碼過(guò)程的相位重映射攻擊及其他漏洞攻擊等。尤其是2010年， Lydersen等人對(duì)IdQuantique公司的Clavis2商用系統(tǒng)和MagiQ公司的0PN5505商用系 統(tǒng)成功實(shí)施了致盲攻擊，完全獲取了信息而沒有被發(fā)現(xiàn)。
[0006] 和離散變量QKD-樣，實(shí)際CVQKD系統(tǒng)不僅包括其運(yùn)行的QKD協(xié)議，還包含其他各 個(gè)維持系統(tǒng)運(yùn)行的硬件上的子系統(tǒng)，如信源模塊、檢測(cè)模塊，以及軟件子系統(tǒng)，如相位補(bǔ)償、 同步算法等。實(shí)際的CVQKD系統(tǒng)中的各個(gè)硬件及軟件子系統(tǒng)、模塊不可能是理論上的完善 的，比如信號(hào)源可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)噪聲，調(diào)制器也會(huì)存在偏差，檢測(cè)系統(tǒng)存在過(guò)噪聲，算法存在 偏差和漏洞等等。這些不完善都可能被潛在竊聽者Eve所利用，從而影響CVQKD系統(tǒng)的整 體安全性。最近，各國(guó)研宄者提出了針對(duì)本振光的散粒噪聲方差標(biāo)度攻擊、針對(duì)光分束器 的波長(zhǎng)攻擊等。為了監(jiān)控系統(tǒng)是否運(yùn)行安全，一種簡(jiǎn)單的方法就是實(shí)時(shí)監(jiān)控CVQKD系統(tǒng)運(yùn) 行的實(shí)際密鑰率，從根本上對(duì)系統(tǒng)安全性進(jìn)行評(píng)估。這種評(píng)估方法的核心即是通過(guò)統(tǒng)計(jì)方 法獲取系統(tǒng)運(yùn)行的各相關(guān)參數(shù)，包括系統(tǒng)散粒噪聲方差、信道透過(guò)率、信道過(guò)噪聲及調(diào)制方 差，再通過(guò)計(jì)算獲取系統(tǒng)運(yùn)行的密鑰率，其中散粒噪聲方差為系統(tǒng)基本參數(shù)，信道過(guò)噪聲及 調(diào)制方差都為散粒噪聲方差的歸一化值。因此散粒噪聲方差的評(píng)估在系統(tǒng)安全性分析方面 具有重要意義。
[0007] 在評(píng)估散粒噪聲方差方面，有學(xué)者提出可以在通信之前先確定散粒噪聲方差和本 振光強(qiáng)的線性關(guān)系，從而根據(jù)本振光大小來(lái)判斷散粒噪聲方差。然而這種方法并沒有實(shí)時(shí) 獲得散粒噪聲方差，只是在密鑰分發(fā)之前獲得的關(guān)于本振光和散粒噪聲方差的關(guān)系。當(dāng)Eve 在密鑰分發(fā)過(guò)程中攻擊本振光并改變系統(tǒng)峰值采樣時(shí)序時(shí)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的散粒噪聲方差 發(fā)生改變，將會(huì)改變之前建立的本振光和散粒噪聲的線性關(guān)系。此時(shí)合法通信方將無(wú)法獲 得改變后的散粒噪聲方差，從而不能獲取真實(shí)的密鑰率，導(dǎo)致防御失敗，這即是基于本振光 的散粒噪聲方差標(biāo)度攻擊原理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種基于散粒噪聲方差監(jiān)控的CVQKD系 統(tǒng)安全防御方法，是一種通過(guò)對(duì)CVQKD系統(tǒng)通信時(shí)本振光的監(jiān)控獲取實(shí)時(shí)散粒噪聲方差， 并且結(jié)合評(píng)估出的系統(tǒng)其他運(yùn)行參數(shù)計(jì)算出系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行密鑰率，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全性 監(jiān)控的方法。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于散粒噪聲方差監(jiān)控的CVQKD系統(tǒng)安全防御方法，包 括：
[0010] 步驟A:散粒噪聲監(jiān)控步驟；
[0011] 步驟B:密鑰率計(jì)算步驟；
[0012] 其中：
[0013] 所述散粒噪聲監(jiān)控步驟，是指通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控接收端本振光強(qiáng)來(lái)評(píng)估散粒噪聲方 差。
[0014] 所述密鑰率計(jì)算步驟，是指根據(jù)所估計(jì)的實(shí)時(shí)散粒噪聲方差，計(jì)算運(yùn)行密鑰率；
[0015] 上述兩個(gè)步驟同時(shí)并行執(zhí)行。
[0016] 優(yōu)選地，所述步驟A包括如下步驟：
[0017] 步驟A1 :發(fā)送方Alice及接收方Bob對(duì)CVQKD系統(tǒng)進(jìn)行通信初始化，包括信源、隨 機(jī)數(shù)源、編解碼器、檢測(cè)器及控制電路的初始化；
[0018] 步驟A2 :Alice發(fā)送量子信號(hào)給Bob，Bob通過(guò)分束器（BS)分出接收到的一部分本 振光，檢測(cè)出系統(tǒng)散粒噪聲值；
[0019] 步驟A3 :通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析散粒噪聲方差的值，計(jì)算得到散粒噪聲方差。
[0020] 其中，所述散粒噪聲方差檢測(cè)的過(guò)程為：通過(guò)BS分出的部分本振光，與真空模分 別輸入50:50的分束器兩個(gè)接口后，隨后接入標(biāo)定的Homodyne檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。
[0021] 所述步驟B包括如下步驟：
[0022] 步驟B1 :Alice發(fā)送編碼的量子光信號(hào)給Bob;
[0023] 步驟B2 :Bob通過(guò)Homodyne檢測(cè)器對(duì)收到的量子光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲取密鑰數(shù) 據(jù)；
[0024] 步驟B3 :Bob通過(guò)經(jīng)典信道和Alice共享部分密鑰數(shù)據(jù)以及評(píng)估得到的散粒噪聲 方差值；
[0025] 步驟B4 :通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法獲取系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，包括信道透過(guò)率、信道過(guò)噪聲值、調(diào)制 方差，最終計(jì)算出系統(tǒng)密鑰率。
[0026] 本發(fā)明工作過(guò)程如下：
[0027] 首先，Alice及Bob對(duì)CVQKD系統(tǒng)進(jìn)行通信初始化，包括信源、隨機(jī)數(shù)源、編解碼 器、檢測(cè)器及控制電路的初始化。在接收端，一方面要求Bob通過(guò)監(jiān)控本振光信號(hào)進(jìn)行散 粒噪聲方差評(píng)估；另一方面，Bob需先尋找脈沖峰值。Bob找到峰值后，通過(guò)經(jīng)典信道告知 Alice已找到峰值，并做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備。隨后Alice根據(jù)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)調(diào) 制相干態(tài)信號(hào)，并和經(jīng)典通信數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給Bob，數(shù)據(jù)中前后包含數(shù)據(jù)起始幀和結(jié) 束幀，Bob在數(shù)據(jù)接收過(guò)程中找到數(shù)據(jù)起始幀就開始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，找到數(shù)據(jù)結(jié)束幀就結(jié)束數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)，同時(shí)告知Alice數(shù)據(jù)接收完成。最后Alice通過(guò)經(jīng)典信道向Bob發(fā)送共享數(shù)據(jù)，假 設(shè)為X= {Xl，x2,. . .，xj，Bob接收共享后提取相應(yīng)通過(guò)量子信道存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，假設(shè)為Y= {ypy2,...，yj，進(jìn)行安全性分析，即根據(jù)監(jiān)控得到的散粒噪聲方差值和其他