中科院量子信息重點實驗室在量子密碼安全領域研究中取得新進展：王雙、銀振強、陳巍、韓正甫等人針對量子密鑰分發系統中單光子探測器實際特性展開研究，提出了包含後脈衝效應的系統優化模型，並利用雪崩過渡區非線性特性實現量子黑客攻擊，為量子密鑰分發系統的實際安全性分析和測評提供了新思路和技術手段。這兩項成果同期發表在2018年12月的《Physical Review Applied》上。
隨著量子密鑰分發系統速率不斷提高，單光子探測器的後脈衝效應將顯著增強。後脈衝是指探測器中的雪崩光電二極管在發生雪崩之後，一段時間內隨機產生二次雪崩的現象。過去忽略後脈衝效應的模型需要修正：一方面後脈衝會在系統中引入更多的錯誤響應，另一方面系統參數的優化可有效提高安全密鑰生成率。
因此，韓正甫研究組基於自身多年來對探測器的深入研究[J. Lightwave. Technol. 34, 3610 (2016); J. Lightwave. Technol. 35, 4996 (2017)]，利用後脈衝過程的非馬爾科夫特性，提出了新的模型。該模型將高階後脈衝考慮在內，給出了新的計數率和誤碼率的計算方法，顯著提升了高速實用化系統的核心性能指標。
圖1.不同後脈衝率下新舊模型的密鑰率對
雪崩光電二極管探測器的非完美性會帶來安全性漏洞，是實際系統安全性測評的重要內容。韓正甫研究組發現了門控模式單光子探測器的一種潛在漏洞，提出並實現了雪崩過渡區攻擊方法。在門控信號從開啟到關閉的過渡階段，探測輸出具有很強的非線性特性。通過控制攻擊信號的光強和在過渡區的位置，量子黑客可以有效控制該探測器的響應，獲取全部密鑰信息而不被感知。該攻擊方法為實際系統的安全性測評和標準化提供了技術儲備。
圖2.雪崩過渡區原理圖
這兩篇論文的第一作者分別是博士生範元冠傑、博士生錢泳君和實驗師何德勇（共同第一作者），王雙教授和銀振強教授為文章的通訊作者。這項工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和安徽省引導項目的資助。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.064032
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.10.064062
（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）
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