doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-837-847


УДК 004.056.5, 535.8

Создание уязвимостей в системах квантового распределения ключей в результате атаки импульсным лазером

Ружицкая Д.Д., Жлуктова И.В., Петров М.А., Зайцев К.А., Ачева П.П., Зуников Н.А., Шилько А.В., Актас Д., Джолингер Ф., Трефилов Д.О., Поносова А.А., Камынин В.А., Макаров В.В.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Ружицкая Д.Д., Жлуктова И.В., Петров М.А., Зайцев К.А., Ачева П.П., Зуников Н.А., Шилько А.В., Актас Д., Джолингер Ф., Трефилов Д.О., Поносова А.А., Камынин В.А., Макаров В.В. Создание уязвимостей в системах квантового распределения ключей в результате атаки импульсным лазером // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 6. С. 837–847. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-6-837-847


Аннотация
Предмет исследования. Протоколы квантовой коммуникации считаются безопасными при условии, что все входящие в систему устройства полностью охарактеризованы, а побочные каналы закрыты. Однако в результате воздействия лазерного излучения возможно изменение характеристик компонентов систем квантовой коммуникации, что приводит к появлению уязвимостей в системе квантового распределения ключей. В работе рассмотрено влияние импульсного лазерного излучения на волоконно-оптические изоляторы, применяемые в системах квантовых коммуникаций. Изоляторы защищают источник системы от атакующего оптического излучения, который приходит от «подслушивающей» стороны по квантовому каналу. Снижение коэффициента изоляции может вывести всю систему из безопасного состояния, и злоумышленник сможет получить доступ к информации о секретном ключе. Метод. Выполнена имитация сценария наиболее вероятной атаки на источник системы квантового распределения ключей импульсным лазером. Экспериментальная установка воздействует на волоконные изоляторы импульсным лазерным излучением в четырех режимах генерации импульсов на длине волны 1064 нм (в пределах окна прозрачности изоляторов) со средней мощностью до 840 мВт. Проведен контроль коэффициента изоляции и пропускной способности с использованием лазерного диода с длиной волны 1550 нм и средней мощностью 10,5 мВт. Для разделения используемых лазеров применены спектрально-селективные разветвители. Основные результаты. Показано, что коэффициент изоляции в направлении из квантового канала в систему на длине волны 1550 нм снижается с исходного значения 59,1 дБ до 24,5 дБ. Пропускная способность в направлении из системы в квантовый канал на этой же длине волны уменьшается с 0,6 дБ до 1,2–12,3 дБ или не изменяется, в зависимости от параметров импульсного лазерного излучения. Мониторинг температуры показал, что при воздействии импульсным излучением температура корпуса изолятора изменяется незначительно. Полученные эффекты изменения коэффициента изоляции и пропускной способности могут быть объяснены наличием нелинейных эффектов в магнитооптическом кристалле изолятора. Практическая значимость. Результаты работы найдут применение при практической оценке безопасности систем квантовой коммуникации – оценки безопасности систем квантового распределения ключа. Результат может быть использован при составлении стандартов сертификационных процедур оценки безопасности систем квантовой связи. Работа содержит рекомендации по усилению безопасности блока источника сигнала в системах квантовой коммуникации. В качестве контрмер по защите от воздействия импульсного лазерного излучения предложено использовать оптические предохранители с заданной предельной пороговой мощностью, детекторы для мониторинга входной мощности оптического излучения и узкополосные оптические фильтры на входе в систему квантовой коммуникации.

Ключевые слова: квантовая связь, квантовая коммуникация, квантовая криптография, уязвимости систем квантовой связи, атака лазерным повреждением, импульсный лазер

Благодарности. Работы проведены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, соглашение № 075-11-2021-078 от 29.09.2021.

Список литературы
  1. Bennett C.H., Brassard G. Quantum cryptography: Public key distribution and coin tossing // Theoretical Computer Science. 2014. V. 560. Part 1. P. 7–11. https://doi.org/10.1016/j.tcs.2014.05.025
  2. Scarani V., Bechmann-Pasquinucci H., Cerf N.J., Dušek M., Lütkenhaus N., Peev M. The security of practical quantum key distribution // Reviews of Modern Physics. 2009. V. 81. N 3. P. 1301–1350. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1301
  3. Lo H.-K., Curty M., Tamaki K. Secure quantum key distribution // Nature Photonics. 2014. V. 8. N 8. P. 595–604. https://doi.org/10.1038/nphoton.2014.149
  4. Wiechers C., Lydersen L., Wittmann C., Elser D., Skaar J., Marquardt C., Makarov V., Leuchs G. After-gate attack on a quantum cryptosystem // New Journal of Physics. 2011. V. 13. N 1. P. 013043. https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/1/013043
  5. Bugge A.N., Sauge S., Ghazali A.M.M., Skaar J., Lydersen L., Makarov V. Laser damage helps the eavesdropper in quantum cryptography // Physical Review Letters. 2014. V. 112. N 7. P. 070503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.070503
  6. Pang X.-L., Yang A.-L., Zhang C.-N., Dou J.-P., Li H., Gao J., Jin X.-M. Hacking quantum key distribution via injection locking // Physical Review Applied. 2020. V. 13. N 3. P. 034008. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.034008
  7. Sun S.-H., Xu F., Jiang M.-S., Ma X.-C., Lo H.-K., Liang L.-M. Effect of source tampering in the security of quantum cryptography // Physical Review A. 2015. V. 92. N 2. P. 022304. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.92.022304
  8. Jain N., Anisimova E., Khan I., Makarov V., Marquardt C., Leuchs G. Trojan-horse attacks threaten the security of practical quantum cryptography // New Journal of Physics. 2014. V. 16. N 12. P. 123030. https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/12/123030
  9. Huang A., Navarrete Á., Sun S.-H., Chaiwongkhot P., Curty M., Makarov V. Laser-seeding attack in quantum key distribution // Physical Review Applied. 2019. V. 12. N 6. P. 064043. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.064043
  10. Tan H., Li W., Zhang L., Wei K., Xu F. Chip-based quantum key distribution against trojan-horse attack // Physical Review Applied. 2021. V. 15. N 6. P. 064038. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.064038
  11. Makarov V., Bourgoin J.-P., Chaiwongkhot P., Gagné M., Jennewein T., Kaiser S., Kashyap R., Legré M., Minshull C., Sajeed S. Creation of backdoors in quantum communications via laser damage // Physical Review A. 2016. V. 94. N 3. P. 030302. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.94.030302
  12. Huang A., Li R., Egorov V., Tchouragoulov S., Kumar K., Makarov V. Laser-damage attack against optical attenuators in quantum key distribution // Physical Review Applied. 2020. V. 13. N 3. P. 034017. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.034017
  13. Ponosova A., Ruzhitskaya D., Chaiwongkhot P., Egorov V., Makarov V., Huang A. Isolation reduction of quantum cryptography systems induced by continuous-wave high-power laser [Электронный ресурс]. URL: http://qutes.org/wp-content/uploads/2020/02/PonosovaAA.pdf, свободный. Яз. англ. (дата обращения: 20.10.2021).
  14. Ruzhitskaya D., Ponosova A., Jöhlinger F., Chaiwongkhot P., Egorov V., Aktas D., Rarity J.G., Erven C., Makarov V., Huang A. Protecting QKD sources against light-injection attacks [Электронный ресурс]. URL: http://www.vad1.com/publications/ruzhitskaya2020.QCrypt-subm43.pdf, свободный. Яз. англ. (дата обращения: 20.10.2021).
  15. Wood R.M. Laser-Induced Damage of Optical Materials. CRC Press, 2003. 241 p.
  16. Vojna D., Slezăk O., Lucianetti A., Mocek T. Verdet constant of magneto-active materials developed for high-power Faraday devices // Applied Sciences. 2019. V. 9. N 15. P. 3160. https://doi.org/10.3390/app9153160
  17. Hui R., O’Sullivan M. Fiber Optic Measurement Techniques. Academic Press, 2009. 672 p.
  18. Smith A.V., Do B.T. Bulk and surface laser damage of silica by picosecond and nanosecond pulses at 1064 nm // Applied Optics. 2008. V. 47. N 26. P. 4812–4832. https://doi.org/10.1364/AO.47.004812
  19. Hadley G.R. High-power pulse propagation in optical fibers // OFC/NFOEC 2008 - 2008 Conference on Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference. 2008. P. 4528567. https://doi.org/10.1109/OFC.2008.4528567
  20. Lamaignère L., Gaudfrin K., Donval T., Natoli J., Sajer J.-M., Penninckx D., Courchinoux R., Diaz R. Laser-induced damage of fused silica optics at 355 nm due to backward stimulated Brillouin scattering: experimental and theoretical results // Optics Express. 2018. V. 26. N 9. P. 11744–11755. https://doi.org/10.1364/OE.26.011744
  21. Smith A.V., Do B.T., Hadley G.R., Farrow R.L. Optical damage limits to pulse energy from fibers // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2009. V. 15. N 1. P. 153–159. https://doi.org/10.1109/JSTQE.2008.2010331
  22. Zhluktova I.V., Filatova S.A., Trikshev A.I., Kamynin V.A., Tsvetkov V.B. All-fiber 1125 nm spectrally selected subnanosecond source // Applied Optics. 2020. V. 59. N 29. P. 9081–9086. https://doi.org/10.1364/AO.401668


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2022 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика