Разработан способ защиты систем квантового распределения ключей от атаки ослепления детекторов

Дмитрий Мелконян, специалист, и Даниил Булавкин, ведущий специалист инженерно-квантовой лаборатории ООО «СФБ Лаб» (входит в ГК «ИнфоТеКС»), разработали способ противодействия одной из наиболее опасных атак на квантовые линии связи – атаке ослепления детекторов одиночных фотонов. Метод не только позволяет обнаружить вмешательство злоумышленника, но и продолжить формирование секретного ключа, точно оценив и удалив ту его часть, которая могла стать известна злоумышленнику. Результаты работы приняты к публикации в журнале, а сам способ защищён патентом Российской Федерации.

В чём опасность атаки ослепления

Квантовое распределение ключей (КРК) позволяет двум сторонам, традиционно называемые Алисой и Бобом, сформировать общий секретный ключ, безопасность которого гарантируется законами квантовой физики. Информация кодируется в состояниях одиночных фотонов или квазиоднофотонных импульсов, и любая попытка злоумышленника (Евы) незаметно получить информацию о распределяемом ключе неизбежно вносит ошибки, позволяя легитимным пользователям обнаружить факт постороннего вмешательства.

В большинстве современных реализаций приёмных узлов систем КРК фотоны регистрируются с помощью детекторов одиночных фотонов на основе лавинных фотодиодов. При атаке ослепления Ева направляет на такой детектор оптическое излучение, что приводит к потере чувствительности детектора и переходу в линейный режим работы детекторов, в котором их срабатываниями можно управлять с помощью подачи специально подобранных классических оптических импульсов, навязывая приёмнику нужные биты, однако оставаясь при этом незамеченным. Тонкость в том, что при несовпадении базисов Евы и Боба энергия навязывающего импульса делится между детекторами и не вызывает их срабатываний, поэтому атака не приводит к дополнительным ошибкам или двойным отсчётам.  Если же базисы совпали, вся энергия попадает на нужный детектор, и Ева получает верный бит. Таким образом, при правильном подборе энергии навязывающих импульсов Ева способна узнать весь ключ, не выдавая себя. 

Несмотря на высокую опасность атаки ослепления, для её обнаружения разработан ряд контрмер. Однако большинство из них лишь фиксируют факт вмешательства, после чего весь сформированный ключ признаётся скомпрометированным и отбрасывается. Кроме того, некоторые решения требуют установки дополнительных элементов в оптическую схему приёмника, что усложняет его конструкцию.

Суть разработки

В основе метода лежит эффект, обнаруженный авторами при исследовании импульсного ослепления: если приёмник в случайные моменты времени меняет квантовую эффективность своих детекторов (даже незначительно, на несколько процентов), то энергии импульсов злоумышленника, необходимых для бесследного навязывания битовой последовательности, различаются для данных режимов работы детекторов более чем на порядок. Из-за этого злоумышленник, не знающий текущего состояния детектора, физически не может навязать нужное срабатывание, гарантированно не вызвав при этом двойных срабатываний и/или ошибочных отсчётов. Эти следы Ева неизбежно оставляет всякий раз, когда ошибается с уровнем чувствительности и базиса измерения приёмника.

Опираясь на этот эффект, авторы построили математический аппарат, который по статистике накопленных за сеанс двойных и/или ошибочных срабатываний вычисляет верхнюю границу числа битов, потенциально навязанных злоумышленником. Эти биты гарантированно удаляются на этапе усиления секретности. Благодаря этому даже при активной атаке система не отбрасывает весь ключ целиком, а продолжает вырабатывать секретный ключ, исключая лишь скомпрометированную долю.

Работоспособность подхода подтверждена экспериментальными измерениями на серийном детекторе. Преимущество данного метода – его применимость к широкому классу коммерчески доступных детекторов без дополнительной модификации оптической схемы приёмника. Особенно важно, что защита становится эффективнее по мере уменьшения средней мощности импульсного ослепления: различие между энергиями, необходимыми Еве для управления детектором в разных режимах, возрастает. Поэтому метод сохраняет работоспособность даже в наиболее сложном случае, когда создаваемый ослеплением фототок сравним с собственными шумовыми и параметрическими флуктуациями системы.

Предложенный способ защиты положен в основу патента РФ № RU 2 856 208 C1 «Способ противодействия атаке импульсного ослепления в приёмных блоках систем квантового распределения ключей, использующих метод состояний ловушек (варианты)». Запатентованное решение предусматривает две схемы реализации: для приёмных блоков с одним или двумя детекторами одиночных фотонов.

Разработка представляет практический интерес для производителей и операторов систем квантовой криптографии: возможность не прерывать выработку ключа при атаке, а корректно учитывать и устранять скомпрометированные биты, повышает устойчивость квантовых сетей к аппаратным атакам и приближает технологию к требованиям реальной эксплуатации.