CC BY
10ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ АТАКИ ЛАЗЕРНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ НА КОМПОНЕНТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ КВАНТОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КЛЮЧЕЙ
12 13 1 13
Бугай К.Е. ' *, Сидельникова А.С. ' , Булавкин Д.С. , Богданов С.А. ' ,
1 13 12
Зызыкин А.П. , Сущев И.С. ' , Дворецкий Д.А. '
1 ООО «СФБЛаборатория», г. Москва 2 МГТУ им Н. Э. Баумана, г. Москва 3 Центр квантовых технологий МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва * E-mail: Kirill.Bugay@sfblaboratory.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-61-62
Система квантового распределения ключей (КРК) обеспечивает безопасный обмен информацией между законными пользователями - Алисой и Бобом. В теории, секретность систем КРК обеспечивается законами квантовой физики [1,2]. Однако, в практической реализации систем КРК возможны физические несовершенства, которые могут быть использованы злоумышленником для перехвата секретного ключа. Существует множество публикаций, которые рассматривают различные методы и подходы для атак на системы КРК [3,4]. Один из таких подходов основывается на уязвимости, связанной с широким использованием полупроводниковых лазеров в качестве источников одиночных фотонов в системах КРК. В этом случае лазерное излучение ослабляется до квазиоднофотонного уровня с помощью волоконно-оптических аттенюаторов. В передатчике (Алисе) волоконно-оптический аттенюатор обычно является последним компонентом. Поэтому для злоумышленника аттенюатор является первым компонентом, который может быть атакован мощным лазерным излучением. К тому же, в случае использования полупроводниковых лазеров, на выходе системы КРК вылетает когерентное состояние, чем может воспользоваться нарушитель для того чтобы скомпрометировать ключ.
Мы предлагаем новую стратегию атаки со светоделителем на системы КРК. Оценив данную стратегию можно получить критерий эффективности защиты систем КРК. Схема атаки изображена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема атаки. SPAD — однофотонный лавинный детектор, ГС —квантовый генератор случайных чисел, Лтт — волоконно-оптический аттенюатор
Предложенная атака основа на атаке со светоделителем, которая возможна только в канале с потерями [5]. На первом этапе атаки нарушитель внедряется в квантовый канал связи длиной L. Известно, что до Боба доходят неискаженные когерентные состояния со средним числом фотонов При атаке нарушитель встраивает светоделитель ассиметричными коэффициентами пропускания в квантовый канал связи. Благодаря чему отводит долю состояния 1-Г(Ц) в квантовую память, а остальную долю когерентного состояния T(L) отправляет Бобу используя канал с меньшими потерями или без потерь. Нужно отметить, что Боб получает состояния без искажений.
На втором этапе предложенной атаки нарушитель начинает изменять поглощение аттенюатора используя мощное лазерное излучение, поэтому среднее число фотонов в импульсе имеет вид
= у. - 1010,
где П - величина изменения коэффициента поглощения аттенюатора. В случае атаки условная энтропия Фон-Неймана
Н(Рхе IРЕ) = 1 - С(р),
где величина Холево
№6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 61
00 f \П i
С(ц) = е-^-та))( 10^) ^ Цп(1 — T(L)j ( 1010)" = ^ - e-^(1-T(L))( )
п=1 ■
Из формул следует, что критерием оценки эффективности защиты является любое изменение поглощения относительно начального значения.
Для оценки защиты от «Photon Sabotage» атаки нами была разработана экспериментальная установка с мощным волоконным лазером нарушителя. Непрерывное лазерное излучение мощностью до 5,5 Вт на длине волны 1561 нм направляется на исследуемый образец аттенюатора, тем самым нагревая его в результате чего может измениться поглощение аттенюатора [6]. Для контроля изменения поглощения аттенюатора в схеме установлен ещё один лазер (LD2) на длине волны 1550,12 нм, который имитирует Алису. Два приёмника излучения (PM1 и PM2) нужны для измерения мощности излучения Алисы до и после образца аттенюатора (DUT). Фильтр (SF), имеющий полосу пропускания 2 нм и рабочую длину волны 1550 нм, установлен в схему для того чтобы отсечь отраженное излучение от мощного лазерного источника нарушителя (Евы). Благодаря мощному оптическому изолятору (ISO) мощное непрерывное лазерное излучение взламывающего лазера не может повлиять на лазер Алисы [7]. Так как в тестируемых образцах может возникнуть эффект оптического разряда (Fiber Fuse Effect), то в качестве защиты от него была добавлена катушка (FS) со 100 м волокна SMF-28. Оптическая заглушка (LT) поглощает излучение мощного непрерывного лазера после исследуемого образца аттенюатор.
MoiuiiociL взламывающего jiaiepa. дБм
Рис.2 (а) Экспериментальная установка. LD1 — лазер с длиной волны Х1, Amp — волоконный эрбиевый усилитель, (б) Экспериментальные данные зависимости просветления аттенюатора от мощности взламывающего лазера, (в) изображение исследуемого аттенюатора
Экспериментальные данные зависимости изменения поглощения аттенюатора от мощного лазера Евы для нескольких аттенюаторов на 20 дБ типа «бочка» представлены на рис.2. Как видно из графика данные аттенюаторы не устойчивы к атаке. В процессе исследования было установлено, что один из образцов просветлился почти на 10 дБ, другой же, наоборот, безвозвратно изменил пропускание при воздействии излучением с мощностью 37,4 дБм.
Литература
1. Wootters W.K., et al, Nature, 299, 802 (1982)
2. Wiesner, S., SIGACTNews, 15, 78-88 (1983)
3. Bulavkin, D. S., et al, SPIE. 12323, 73-78 (2022)
4. Alferov, S. V., et al, JETP Letters, 116(2), 123-127(2022)
5. Bennett C.H., et al. J. Cryptology 5, 3-28 (1992)
6. Anqi Huang, et.al., Phys. Rev. Applied 13, 034017 (2020)
7. Anqi Huang, et.al., Phys. Rev. Applied 12, 064043 (2019)
62 №6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023vv» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
