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荷兰研究人员通过多模光纤建立密钥分发

荷兰研究人员通过多模光纤建立密钥分发
时间: 2020-04-20 15:22 浏览次数:
为了防御网络攻击,人们要不断关注易受攻击的计算机系统和网络的安全性。需要关注的安全性当然包括计算机之间的物理连接光纤。通过拦截通过光纤的光信号,恶意黑客可以访问机

为了防御网络攻击,人们要不断关注易受攻击的计算机系统和网络的安全性。需要关注的安全性当然包括计算机之间的物理连接光纤。通过拦截通过光纤的光信号,恶意黑客可以访问机密数据,甚至控制连接。近日,荷兰特文特大学研究人员设计的一种通过多模光纤建立密钥分发的系统可以抵御此类攻击。这种新型的量子密钥交换方法是针对光的量子性质而开发的,可通过将信息编码为在多模光纤分解在导模上的几个光子脉冲来实现,相关论文以《Quantum key establishment via a multimode fiber》为题发布在《Optics Express》上。


图1 实验装置。Alice通过将具有适当相位模式的光耦合到多模光纤中来对符号进行编码。Bob接收聚焦在光纤输出面上特定位置的信号。借助M2型反射镜,Eve可以在光纤中间监听信号。然而,由于多模光纤的模式混合特性,其强度分布是一个复杂的随机干涉图样。

当光被置乱时,观察多模光纤人们会看到由不同波形引起的不同强度的斑点图案。这种方法的安全性结合了随机光置乱和安全波前整形,基于不知道测量基情况下测量量子态的困难性。该方法在单光子源以及光子数较低(相对于模式数)的弱相干光源的情况下可以抵抗标准截获重发和分束攻击。

如图1所示Alice和Bob各自完全控制着一小段多模光纤,这段光纤起着“扰码器”作用。他们都通过对光纤施加随机的结构变化,从而以随机方式“编程”扰码器。在校准阶段,Alice和Bob执行一个逐步的序列波前成形算法:Alice生成一个单段相移的平面波,Bob利用相机记录并通过一个经典通道将随机选择的S点的强度发送给Alice。每段重复几次。Alice可以使用波前整形来将光线聚焦到Bob相机上所需的位置。通过这种方式可以将高维字母编码成多模光纤的导模,比如把A-Z+0-9(不区分大小写)符号组成的36维字母表通过1500维的多模光纤进行传输。如果一个潜在的窃听者Eve会截获光子并确定其位置,光子会在Eve探测器上坍塌在某个几乎随机的位置,即使在同一个符号的相同副本之间也会发生变化。因此Eve的信息被置乱,无法识别发送的是什么符号。只有在Bob端,光子才会出现在特定的目标空间位置,其中每个目标位置对应于字母表中的一个符号。

研究人员称这种基于多模光纤密钥分发系统具有数据以确定的方式传输的独特性质,使得Bob能够在通信过程中即时解码信息。尽管这种方式可以实现直接秘密通信,但始终存在将其中一小部分信息泄漏给Eve的风险,因此不建议直接秘密通信而是用来建立密钥。

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