研究背景

量子密钥分发（QKD）通过将密钥信息加载在量子态上，允许在两个远程双方之间通过公开信道安全地建立密钥。其理论安全性基于量子物理，而非数学假设，这使得其在理论上无法被破解。然而，由于实际中设备的不完美性，实现不可攻击的QKD系统是一个复杂工程。

在QKD系统的发送源端，攻击者可以通过光注入类型攻击，例如特洛伊木马攻击、激光种子攻击、强光损伤攻击和光功率监测旁道攻击等，了解甚至操纵源端的特性。利用隔离器件来保护源端阻止攻击光注入，是一种很自然的设想。然而，隔离器件有可能会面临未知的攻击，要保证QKD系统的实际安全仍需解决多重挑战。

研究创新

该论文首次报道了在QKD系统发送端所使用的保护性光隔离器和环形器在高功率激光攻击下面临的安全威胁。通过严格的测试发现所有被测的器件隔离度都会降低。由于目前隔离度的值都被考虑在安全证明里来抵御激光注入类攻击（甚至是被标准化），因此隔离度的降低打开了一个安全漏洞。幸运的是，在实际中，本文作者发现一个冗余的可牺牲隔离器件可以重构安全性——提供足够大的冗余隔离或者损坏以阻断攻击。

该研究通过深入的实验测试发现，通过最高功率达到6.7W的激光照射QKD系统中所使用的光隔离器和光环形器时，高功率激光会暂时或永久地将它们的隔离值。对于光隔离器，如图1（a）所示，隔离度暂时性地降低15.2–34.5 dB，在样品完全损坏之前，仍然存在17.2–42.4 dB的隔离值。高功率激光从光环形器的3端口注入后，结果如图1（b）所示，3-2端口和2-1端口间的隔离度分别暂时性地降低20.6 -33.4 dB和26.7-28.7 dB；3-2端口间仍存在6.4-32.3 dB隔离度,2-1端口间仍存在34.7-38.3 dB隔离度。在文章中也给出了解释隔离度变化的机制：有可能是由于隔离器件内法拉第旋转器的Verdet常数是跟温度相关的。

图1(a)强光照射下隔离器的参数及最高表面温度；(b)强光照射下环行器的隔离值和最高表面温度。

审稿人评价这项工作是极具时效性的，有价值且令人信服，指导性地阐述了对QKD系统中光隔离器和光衰减器安全性的深度研究，并提出抵御激光注入类型攻击的新方法，并让相关研究者知道更多QKD源端的实际安全性问题，对实际QKD系统安全性极为重要，这项工作是实际QKD系统安全性研究中非常重要的一步。

Vadim Makarov教授与国防科技大学QUANTA团队黄安琪副研究员联合指导了本项研究。感谢提供QKD系统内被测器件的合作者们，感谢QUANTA团队其他成员的大力支持及讨论，感谢在过去、现在和未来对QUANTA团队的所有支持。该成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金国际合作与交流项目、青年基金、高性能计算国家重点实验室自主课题等的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.3.040307