[论文解读] Fundamental Insecurity of Multi-Photon Sources Under Photon-Number Splitting Attacks in Quantum Key Distribution

Horace P. Yuen|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2012

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文表明，量子密钥分发（QKD）中的多光子源在一种新型光子数分裂（SPNS）攻击下存在根本性不安全，该攻击即使在诱骗态协议下也难以被检测。该攻击使窃听者（Eve）能够提取高达40%的 sifted key 比特，且不引入量子误码率（QBER），从而使得现有实验性 QKD 系统在声称无条件安全的情况下仍不安全。

ABSTRACT

A simple photon-number splitting attack is described which works on any lossy quantum key distribution system with a multi-photon source independently of the mean source photon number, and with no induced error rate. In particular, it cannot be detected by decoy states. The quantitative loss of security is similar when the user employs photon-number resolving detectors or threshold detectors. Numerical values indicate that existing implementations of concrete QKD systems are fundamentally insecure against this attack because a large portion of leaked sifted key bits is not accounted for. The possibility of other damaging photon-number splitting attacks is discussed. Some morals will be drawn.

研究动机与目标

• 揭示实际 QKD 系统中使用的多光子源存在的关键漏洞。
• 证明即使在使用诱骗态的情况下，光子数分裂攻击仍可保持不可检测。
• 挑战基于诱骗态协议的 QKD 无条件安全声明的有效性。
• 量化在实际系统参数下，通过 SPNS 攻击泄露给窃听者的密钥信息程度。
• 指出当前安全证明未能考虑窃听者通过多光子脉冲分裂获得的知识，从而削弱净密钥生成的有效性。

提出的方法

• Eve 在发射端附近对每个脉冲执行非破坏性光子数测量，识别出 n ≥ 2 光子的脉冲。
• 对于每个多光子脉冲（n ≥ 2），Eve 分离出一个光子，并通过无损耗信道将剩余的 (n−1) 个光子发送给接收方。
• Eve 通过不改变信道或探测器行为，保持原始的探测率和量子误码率（QBER）。
• 该方法与平均光子数 ⟨n⟩ 无关，适用于任何光源分布，包括泊松分布和相位随机激光器。
• 该方法利用了单光子探测器无法区分来自单光子脉冲或多光子脉冲的光子这一事实。
• 由于该攻击不改变观测计数率，也不引入 QBER，即使使用诱骗态，仍保持不可检测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用诱骗态的 QKD 系统中，光子数分裂攻击是否可能保持不可检测？
• RQ2 当使用多光子源时，窃听者能获得关于 sifted key 的多少知识？
• RQ3 为何当前的安全证明未能考虑通过此 SPNS 攻击泄露的信息？
• RQ4 此攻击对现有实验性 QKD 实现的安全性有何定量影响？
• RQ5 当存在这种不可检测攻击时，QKD 系统声称的无条件安全性是否仍然有效？

主要发现

• 对于 ⟨n⟩ ≈ 0.5 的泊松光源，Eve 可在不引入任何量子误码率（QBER）的情况下提取约 23% 的 sifted key 比特。
• 在 NEC QKD 系统（η ≈ 4 dB）中，由于 SPNS 攻击，Eve 知道了 33% 的 sifted key 比特。
• 在 Toshiba UK QKD 系统（η ≈ 10 dB）中，38% 的密钥比特泄露，接近低损耗条件下 40% 的理论上限。
• SPNS 攻击之所以能逃避免疫态协议检测，是因为它同时保持了探测率和 QBER。
• 现有安全证明，包括诱骗态 QKD 的证明，均未考虑该攻击带来的信息增益，从而使其无条件安全声明无效。
• 该攻击即使在隐私放大之后，仍会破坏净密钥生成的有效性，尤其在最优窃听策略下更为显著。