Регистрация оптического излучения переменной интенсивности лавинным фотодиодом в режиме счета фотонов

Гоибов С.А., Гулаков И.Р., Зеневич А.О., Кочергина О.В., Новиков Е.В.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Гулаков И.Р., Зеневич А.О., Кочергина О.В., Новиков Е.В., Гоибов С.А. Регистрация оптического излучения переменной интенсивности лавинным фотодиодом в режиме счета фотонов // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 11. С. 9–15. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-11-09-15

Gulakov I.R., Zenevich A.O., Kochergina O.V., Novikov E.V., Goibov S.A. Detection of variable-intensity optical emission using an avalanche photodiode in photon-counting mode [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2021. V. 88. № 11. P. 9–15. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-11-09-15

Ссылка на англоязычную версию:

I. R. Gulakov, A. O. Zenevich, O. V. Kochergina, E. V. Novikov, and S. A. Goibov, "Detection of variable-intensity optical emission using an avalanche photodiode in photon-counting mode," Journal of Optical Technology. 88(11), 620-624 (2021). https://doi.org/10.1364/JOT.88.000620

Аннотация:

Продемонстрирована возможность осуществления атаки «ослеплением» кремниевых лавинных фотодиодов, работающих при комнатных температурах, используемых для регистрации однофотонных импульсов излучения с длиной волны 850 нм в квантовых криптографических системах. Определены характеристики кремниевых лавинных фотодиодов различных марок при их «ослеплении». Установлено, что атаку «ослеплением» на лавинный фотодиод можно обнаружить путем контроля значения электрического тока, протекающего через фотодиод. Получено, что при имитации одноквантовых импульсов разным лавинным фотодиодам требуются различные энергетические экспозиции многофотонных оптических импульсов, при этом длительность оптического импульса должна быть менее 1 мкс. Определено, что для осуществления атаки «ослеплением» при выборе интенсивности оптического излучения и энергетической экспозиции многофотонных оптических импульсов необходимо обладать информацией о характеристиках лавинного фотоприемника, применяемого в квантовой криптографической системе. Приведена структурная схема экспериментальной установки, на которой проводились исследования атаки «ослеплением», и осциллограммы выходных сигналов лавинного фотодиода в этих условиях.

Ключевые слова:

счет фотонов, атака «ослеплением», лавинный фотодиод, квантовая криптография, однофотонный импульс

Коды OCIS: 270.5568

Список источников:

1. Sergienko A.V. Quantum communications and cryptography. CRC press, 2019. 248 p.
2. Feihu Xu, Xiongfeng Ma, Qiang Zhang, et al. Secure quantum key distribution with realistic devices // Rev. Mod. Phys. 2020. V. 92. Р. 025002.
3. Wootters W.K. and Zurek W.H. A single quantum cannot be cloned // Nature. 1982. V. 299. P. 802.
4. Dieks D. Communication by EPR devices // Phys. Lett. A. 1982. V. 92 № 6. P. 271–272.
5. Баумейстер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. М.: Постмаркет, 2002. 376 с.
6. Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация. М.: Мир, 2006. 824 с.
7. Прескилл Дж. Квантовая информация и квантовые вычисления М.: РХД, 2008. Т. 1. 464 с.
8. Makarov V., Hjelme D.R. Faked states attack on quantum cryptosystems // J. Modern Optics. 2005. V. 52. № 5. P. 691–705.

9. Makarov V. Controlling passively quenched single photon detectors by bright light // New J. Phis. 2009. V. 11. P. 065003.
10. Yan Z., Hamel D.R., Heinrichs A.K., et al. Anultra low noise telecom wavelength free running single photon detector using negative feedback avalanche diode // Rev. Scientific Instruments. 2012. V. 83. № 7. P. 073105.
11. Караммаев М.М. Уязвимости реализаций систем квантовой криптографии // Научное обозрение. Технические науки. 2020. № 3. С. 30–35.
12. Молотков С.Н. Об уязвимости базовых протоколов квантового распределения ключей и о трех протоколах, устойчивых к атаке с «ослеплением» лавинных фотодетекторов // ЖЭТФ. 2012. Т. 141. № 5. С. 812–831.
13. Василиу Е.В., Лимарь И.В. Атаки на квантовые системы распределения ключей, эксплуатирующие уязвимость оборудования // Тез. докл. Перспективнi напрями захисту iнформацii. Матерiали третьоi Всеукраiнськоi наук.практ. конф. 2–6 верасня 2017 р., м. Одеса. Одеса: ОНАЗ iм. О.С. Попова. 2017. С. 9–13.
14. Килин С.Я., Хорошко Д.Б., Низовцев А.П. Квантовая криптография: идеи и практика. Минск: Белорус. наука, 2007. 391 с.
15. Feihu Xu, Xiongfeng Ma, Qiang Zhang, et al. Secure quantum key distribution with realistic devices // Rev. Mod. Phys. 2020. V. 92. Р. 025002.
16. Gras G., Sultana N., Huang A., et al. Optical control of single-photon negative-feedback avalanche diode detector // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. № 9. P. 094502.
17. Lydersen L., Wiechers С., Elser С., et al. Hacking commercial quantum cryptography systems by tailored bright illumination // Nature Photonics. 2010. V. 4. № 10. P. 686–689.
18. Sauge S., Lydersen L., Anisimov A., et al. Controlling an actively-quenched single photon detector with bright light // Opt. Exp. 2011. V. 19. № 23. P. 23590–23600.
19. Василиу Е.В., Гулаков И.Р., Зеневич А.О. Квантовые системы обеспечения информационной безопасности. Минск: Белорусская государственная академия связи, 2019. 216 с.
20. Техника оптической связи: фотоприемники. Пер. с англ. / Под ред. Тсанга У. М.: Мир, 1988. 526 с.
21. Гулаков И.Р., Зеневич А.О. Фотоприемники квантовых систем. Минск: УО ВГКС, 2012. 276 с.
22. Манова Н.Н. и др. Система регистрации одиночных фотонов видимого и ближнего инфракрасного диапазона волн // Тез. докл. ХХI Междунар. научно-техн. конф. по фотоэлектронике и приборам ночного видения. ФГПУ «НПО «Орион». М., 2010. С. 135–136.