[论文解读] Exploiting saturation mode of passively-quenched APD to attack quantum cryptosystems

Vadim Makarov|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2007

Quantum Information and Cryptography被引用 2

一句话总结

本文展示了一种针对量子密钥分发（QKD）系统的实用侧信道攻击，利用被动淬灭雪崩光电二极管（APDs）实现。通过受控的强光照射，攻击者（Eve）可利用这些探测器的饱和模式，选择性地使探测器失效，重新获得对其点击状态的完全控制，并执行完全可控的拦截-重发攻击，该方法已在三种商用APD型号上通过实验验证。

ABSTRACT

Single photon detectors based on passively-quenched avalanche photodiodes can be temporarily blinded by relatively bright light, of intensity less than a nanowatt. I describe a bright-light regime suitable for attacking a quantum key distribution system containing such detectors. In this regime, all single photon detectors in the receiver Bob are uniformly blinded by continuous illumination coming from the eavesdropper Eve. When Eve needs a certain detector in Bob to produce a click, she modifies polarization (or other parameter used to encode quantum states) of the light she sends to Bob such that the target detector stops receiving light while the other detector(s) continue to be illuminated. The target detector regains single photon sensitivity and, when Eve modifies the polarization again, produces a single click. Thus, Eve has full control of Bob and can do a successful intercept-resend attack. To check the feasibility of the attack, 3 different models of passively-quenched detectors have been tested. In the experiment, I have simulated the intensity diagrams the detectors would receive in a real quantum key distribution system under attack. Control parameters and side effects are considered. It appears that the attack could be practically possible.

研究动机与目标

• 研究在量子密钥分发（QKD）系统中，被动淬灭雪崩光电二极管（APDs）对强光诱导饱和的脆弱性。
• 开发并测试一种实用的攻击方法，利用探测器饱和实现对接收方检测结果的完全控制。
• 在真实QKD系统条件下，使用商用APD型号评估该攻击的可行性及副作用。
• 证明通过偏振调制选择性地使单个探测器失效，可使Eve执行隐蔽且可控的拦截-重发攻击。

提出的方法

• 以低于1纳瓦的连续强光照射Bob接收器中的所有探测器，诱导其饱和并造成暂时失明。
• 调制发送至Bob的光的偏振（或编码参数），使得仅目标探测器在短时间内失去光照，而其他探测器仍处于失明状态。
• 利用目标探测器在光照停止后恢复的时间特性，在其重新获得单光子灵敏度时触发单个可控点击。
• 重复偏振调制周期，生成可控的检测事件，使Eve能够随意操控Bob的测量结果。
• 在三种不同型号的被动淬灭APD上测试该攻击，以验证其一致性和实际可行性。
• 模拟攻击条件下的光强分布和探测行为，分析控制参数并检测潜在副作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在QKD系统中，被动淬灭APDs是否能通过低于1纳瓦的连续光照实现失明，且不会触发标准防篡改机制？
• RQ2 在饱和状态下，通过调制入射光的偏振，是否可以实现对多通道接收器中单个探测器的选择性控制？
• RQ3 在真实QKD系统中，此类攻击的控制参数和可观察到的副作用是什么？
• RQ4 该攻击是否可实现极低可检测特征，从而实现隐蔽的拦截-重发攻击？

主要发现

• 被动淬灭APDs可在低于1纳瓦的连续光照下被失明，诱导饱和但不会立即被检测到。
• 该攻击可通过对入射光偏振的调制，选择性地禁用和重新启用单个探测器。
• 目标探测器在光照停止后恢复单光子灵敏度，可在触发时产生可控点击。
• 该攻击已在三种不同商用被动淬灭APD型号上通过实验验证，确认了其实际可行性。
• 该方法可实现对Bob检测结果的完全控制，使成功的拦截-重发攻击成为可能。
• 观察到如光强变化和时间抖动等副作用，但并未影响攻击的有效性。