1、前言
量子密鑰分發(fā)（QKD）通過雙方交換安全密鑰，可以提高理論上的信息安全性。然而，QKD系統(tǒng)仍然需要滿足穩(wěn)定性、小型化和低成本的要求，才能實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。硅光技術(shù)的迅速發(fā)展將為量子通信提供很好的研究平臺。一些研究證明，基于硅光技術(shù)的QKD在現(xiàn)實條件下是可行的。因此，基于芯片的通信系統(tǒng)將會被越來越多的研究與應(yīng)用。
本文以“Chip-Based Quantum Key Distribution against Trojan-Horse Attack”為基礎(chǔ)，詳細描述了量子通信中的信息安全能力以及光頻域反射技術(shù)如何應(yīng)用到硅光發(fā)射芯片中的測量。
文章主要討論了外部信息源對QKD系統(tǒng)的竊聽攻擊（Trojan-horse attack”，THA)。通過對大量文獻的分析，QKD系統(tǒng)對THA的抵抗能力主要體現(xiàn)在強度調(diào)制器和相位調(diào)制器的反射能力上。即光通過相關(guān)器件后，其反射率越強，則反射光子能力越強，則外部源更容易檢測到反射回光子，并通過相關(guān)光子解碼系統(tǒng)的相關(guān)信息，那么，系統(tǒng)的安全性就越弱，反之則越強。這個結(jié)論對OFDR技術(shù)應(yīng)用到量子通信上提供了理論基礎(chǔ)。另外，文章關(guān)于量子力學理論方面的介紹這里不多闡述。
2、硅芯片的表征
文章研究了一個集成了偏振調(diào)制器和強度調(diào)制器的硅發(fā)射機芯片，這是外接源THA竊聽基于芯片的QKD系統(tǒng)的主要目標。硅光發(fā)射芯片的結(jié)構(gòu)圖如圖（a）所示：
它由四個主要組件組成：一維光柵耦合器、可變光衰減器、強度調(diào)制器和偏振調(diào)制器（在這里討論THA方案對QKD系統(tǒng)的影響時，偏振調(diào)制器與相位調(diào)制器是等價的）。強度調(diào)制器是基于M-Z結(jié)構(gòu)的干涉儀，兩條臂分光比為50:50；相位由熱光學調(diào)制器和載波損耗調(diào)制器調(diào)制，調(diào)制帶寬分別約為kHz和GHz級別。利用pin管結(jié)構(gòu)實現(xiàn)三個可變光衰減器，每個衰減率約為-33dB，用來將激光脈沖衰減到單光子級。偏振調(diào)制器由M-Z干涉儀和二維光柵耦合器組成。將M-Z干涉儀的兩條臂與二維光柵耦合器相結(jié)合，可以將路徑編碼的信息轉(zhuǎn)換為極化編碼的信息。此外，硅芯片中的三個MPD用來檢測光的功率。圖中，POL為偏振調(diào)制器、TOM為熱光調(diào)制器、CDM為載波調(diào)制器。整個芯片使用OCI1500 OFDR設(shè)備進行光頻域的分布式反射測量。設(shè)備從ch3入口（2D grating）接入，整個芯片內(nèi)部所有事件點反射率結(jié)果均同時呈現(xiàn)在一幅圖中。從圖（b）中測量結(jié)果可以看出，芯片內(nèi)部每一個節(jié)點的反射率，均清晰的呈現(xiàn)出來，可泄露的偏振調(diào)制器和強度調(diào)制器的平均反射率分別為?64.45±0.02和?86.1±0.3 dB。
3、測試結(jié)果與討論
為了尋找相應(yīng)反射峰對應(yīng)的具體某個單元反射（泄露）的信號，對強度調(diào)制器施加不同的調(diào)制電壓，得到如下圖所示的結(jié)果：
在施加0.5v電壓時，反射峰位置大約在31mm處，反射率-100dB（圖a）；在施加1v電壓時，反射峰大約在26mm處，且反射率變?yōu)?90dB（圖b）。作者還分別對硅芯片的信號通道和同步通道中的可變光衰減器進行調(diào)制，以確定其他反射峰的位置，結(jié)果如下圖所示，為了清楚地看到這個變化，將2v直流電信號應(yīng)用于可變光衰減器（約18dB的衰減）。
為了驗證硅光芯片系統(tǒng)的安全性能，文章還用OFDR設(shè)備對光纖耦合的鈮酸理強度調(diào)制器進行測量，并比較芯片、光纖耦合兩種形式下的結(jié)果差異。兩種形式調(diào)制器的測量結(jié)果如下圖：
圖中，紅線框中為整個內(nèi)部反射峰信息，而黑色框中為可泄露的強度調(diào)制器信息。從圖中可以看出，硅芯片中泄漏強度信息的反射峰的反射率明顯低于鈮酸鋰強度調(diào)制器，約14.08 dB（芯片為-86.1dB，光纖耦合鈮酸鋰為-72.02dB）。此外，由于芯片的尺寸較小，硅芯片內(nèi)部的反射峰之間的間隔要小得多。在鈮酸鋰調(diào)制器中，泄露信息位置與非泄露信息反射峰的距離約71mm。而對于硅芯片，這個距離為2.69mm。因此，外部竊聽源需要更窄的時域脈沖寬度和更高測量分辨率的激光來區(qū)分泄漏信息的脈沖和不泄漏信息的脈沖。所以，硅光芯片抵抗木馬攻擊的能力要更強，即信息安全性更高。
4、總結(jié)
文章通過光頻域反射（OFDR）技術(shù)測量了小尺寸硅光芯片內(nèi)部各個事件點的反射情況，評估了基于硅光的量子密鑰分發(fā)（QKD）系統(tǒng)對抗時間黑客攻擊（THA）的信息安全能力。研究結(jié)果表明，硅發(fā)射機芯片在面對THA時具有低反射率和短反射峰時間間隔的優(yōu)勢。具體來說，較低的反射率使得竊聽者更難以獲取被反射的木馬光子；而較短的反射峰時間間隔則提高了對竊聽者時域測量精度的要求。
在相關(guān)文獻中，研究人員通常采用時域相關(guān)的光子探測技術(shù)進行類似測量。然而，對于本文中所使用的4.8x3mm2的小型硅光芯片，由于其尺寸極小，時域技術(shù)的距離分辨率不足，無法達到所需的高精度要求。相比之下，使用頻域解調(diào)技術(shù)能夠提供足夠的距離分辨率，以滿足精確測量的需求。
隨著硅光技術(shù)和量子通信技術(shù)的不斷進步，預(yù)計未來將更加廣泛地應(yīng)用OFDR設(shè)備來測量芯片級別的器件，從而進一步提升信息安全水平。
參考文獻：Chip-Based Quantum Key Distribution against Trojan-Horse Attack；Hao Tan、Wei Li；PHYSICAL REVIEW APPLIED 15, 064038 (2021)
高分辨光學鏈路診斷儀OCI1500
OCI1500都是一款超高精度光學鏈路診斷儀，原理基于光頻域反射（OFDR）技術(shù)，單次測量可實現(xiàn)從器件到鏈路的全范圍診斷。可輕松查找并判別光纖鏈路中的宏彎、連接點和斷點，并精確測量回損、插損和光譜等參數(shù)，其事件點定位精度高達0.1mm。不僅可用于光學鏈路診斷，還可拓展分布式光纖傳感功能，實現(xiàn)應(yīng)變和溫度高分辨測量。
產(chǎn)品特點：
?波長范圍：C+L波段：1525~1625nm 或 O波段：1265~1340nm
?空間分辨率：10μm@50m、20μm@100m
?測量長度：100m（可定制升級）
?自校準，無需人為干預(yù)，穩(wěn)定性好
?可擴展分布式溫度、應(yīng)變測量
?可提供定制服務(wù)
主要應(yīng)用：
?光器件、光模塊測量
?光纖長度精確測量
?硅光芯片測量
?光譜、群延時測量
