一种量子通信系统收发端光隔离度测试装置及方法

本发明属于量子通信，特别设计一种针对量子通信系统收发端光隔离度的测试装置及方法。

背景技术：

1、自1984年第一个量子通信协议被提出以来，量子通信在安全性、通信距离、重复速率和小型化的方向不断发展，取得了包括“墨子号”卫星，京沪干线等等举世瞩目的成就。量子通信具有基于信息论的绝对安全，但在实践过程中，实际设备的种种缺陷会导致量子通信系统受到窃听者的攻击，例如特洛伊木马攻击，激光种子攻击，激光损伤攻击，萤光反射攻击等等。

2、普通光学器件常有的端面反射会引发特洛伊木马攻击。窃听者通过将激光从量子信道注入到量子通信系统发送端和量子通信系统接收端，这些激光经过光学调制器件后带上了偏振或相位信息，在器件反射后被窃听者读取、解码，导致信息泄露。内触发模式工作的激光器通过自发生成的种子光子产生光脉冲，光脉冲的相位由种子光的相位决定，这会引发激光种子攻击。量子通信有一条重要的安全性假设——相位随机化假设，即光脉冲的相位必须是随机的。在量子通信系统发送端没有受到攻击的情况下，自发产生的种子光子的相位是随机的，那么光脉冲的相位也是随机的。但窃听者通过向量子通信系统发送端的激光器不停的注入相位已知种子光子，这些光子也会在激光器中产生相位已知的光脉冲。当注入种子光子的数量大于自发产生的种子光子的数量，那么从量子通信系统发送端输出的光脉冲的相位大部分由窃听者注入的种子光的相位决定，这违背了相位随机化假设。激光损伤攻击通过向量子通信系统发送端和量子通信系统接收端注入大功率的激光直接损坏内部的光学器件以达到攻击效果。对于目前量子通信常用的单光子雪崩二极管探测器，其在雪崩过程中会伴随光子发射，称为反向荧光，这些荧光光子在偏振编码的系统中经过偏振分束器后会带上偏振信息，窃听者通过测量荧光光子的偏振态获取信息，这便是萤光反射攻击。

3、我们可以在量子通信系统中增加额外的措施来抵御这些攻击，特别地，对于特洛伊木马攻击，激光种子攻击，激光损伤攻击，萤光反射攻击等攻击，我们通过给量子通信系统接收端和发送端增加衰减器来抵御。在量子通信系统发送端增加隔离器，隔离方向为从量子信道到量子通信系统发送端，这样可以抵挡从量子信道注入量子通信系统发送端的光子，可以抵御特洛伊木马攻击，激光种子攻击和激光损伤攻击。在量子通信系统接收端增加隔离器，隔离方向为从量子通信系统接收端到量子信道，这样可以抵挡从量子通信系统接收端反射回量子信道的光子，可以抵御特洛伊木马攻击和荧光反射攻击。隔离器的性能决定了量子通信系统隔离能力的好坏，决定了其抵御上述量子攻击的能力。我们需要一套对量子通信系统收发端隔离度测试的完整方案。

技术实现思路

1、发明目的：目前许多量子通信系统都在其量子通信系统发送端和量子通信系统接收端加入了隔离器弥补实际设备产生的漏洞，增加实际系统的安全性。本发明提供了一套测试量子通信系统收发端光学隔离度的测试装置以及测试方法，以评估量子通信系统收发端抵御特洛伊木马攻击，激光种子攻击等量子攻击的能力。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种量子通信系统收发端光隔离度测试装置，包括量子通信系统发送端光隔离度测试单元、量子通信系统接收端光隔离度测试单元，其中：

4、所述量子通信系统发送端光隔离度测试单元包括测试激光器一、量子通信系统发送端、频谱分析仪一，所述测试激光器一与量子通信系统发送端的接口一连接，所述频谱分析仪一与量子通信系统发送端的接口二连接。

5、所述量子通信系统接收端光隔离度测试东南亚包括测试激光器二、量子通信系统接收端、频谱分析仪二，所述测试激光器二与量子通信系统接收端的接口一连接，所述频谱分析仪二与量子通信系统接收端的接口二连接。

6、优选的：所述测试激光器一和测试激光器二可以改变输出激光的功率，测试激光器一输出激光的最大功率，记为功率值一，测试激光器一输出激光的最小功率，记为功率值二，测试激光器二输出激光的最大功率，记为功率值三，测试激光器二输出激光的最小功率，记为功率值四。

7、优选的：所述测试激光器一和测试激光器二可以改变输出激光的波长，测试激光器一输出激光的最大波长，记为波长值一，测试激光器二输出的最小波长，记为波长值二，测试激光器二输出激光的最大波长，记为波长值三，测试激光器二输出的最小波长，记为波长值四。

8、优选的：所述频谱分析仪一可测量的最大光功率必须超过功率值一，所述频谱分析仪二可测量的最大光功率必须超过功率值三。

9、所述频谱分析仪一可测量的最大波长必须大于波长值一，可测量的最小波长必须小于波长值二，所述频谱分析仪二可测量的最大波长必须大于波长值三，可测量的最小波长必须小于波长值四。

10、优选的：所述量子通信系统发送端为适用于基于制备测量的离散变量量子密钥分发协议、基于纠缠的离散变量量子密钥分发协议、基于制备测量的连续变量量子密钥分发协议、基于纠缠的连续变量量子密钥分发协议或适用于测量设备无关的量子密钥分发协议的发送端。

11、优选的：所述量子通信系统接收端为适用于基于制备测量的离散变量量子密钥分发协议、基于纠缠的离散变量量子密钥分发协议、基于制备测量的连续变量量子密钥分发协议或基于纠缠的连续变量量子密钥分发协议的接收端。

12、优选的：对与量子通信系统发送端或量子通信系统接收端相同型号的单个隔离组件进行测试。

13、一种量子通信系统发送端光隔离度测试方法，采用上述量子通信系统收发端光隔离度测试装置，包括以下步骤：

14、步骤1，打开测试激光器一，并将测试激光器一出射激光的波长设置为波长值二。

15、步骤2，将测试激光器一出射激光的光功率设置为功率值二。

16、步骤3，使用频谱分析仪一测量测试激光器一与量子通信系统发送端接口一连接处激光光功率，记为输入功率值一，测量完成后将测试激光器一与量子通信系统发送端接口一连接。

17、步骤4，将频谱分析仪一与量子通信系统发送端接口二连接，并在频谱分析仪一测量从量子通信系统发送端接口二输出激光的光功率，等待输出光功率逐渐稳定。

18、步骤5，使用频谱分析仪一测量当前波长下从待测模块接口二输出激光的光功率，记为输出功率值一。

19、步骤6，将频谱分析仪测量的输入功率值一与输出功率值一相减，其结果记为隔离度一。

20、步骤7，以固定步长增加激光器的输出光功率，其步长记为功率步长一，重复步骤3至步骤6直到激光器的输出功率达到功率值一。

21、步骤8，以固定步长增加激光器的输出波长，其步长记为波长步长一，重复步骤3至步骤7直到激光器的输出波长达到波长值一。

22、步骤9，比较测试激光器在功率值一至功率值二，波长值一至波长值二中测量得到的所有隔离度一，并从中找到最小值，记为最小隔离度一。

23、步骤10，预先设定的隔离度判别标准，记为阈值隔离度一。将最小隔离度一与阈值隔离度一进行比较，当最小隔离度一大于阈值隔离度一，则判别该量子通信系统发送端通过测试，当最小隔离度一小于阈值隔离度一，则判别该量子通信系统发送端不通过测试。

24、一种量子通信系统接收端光隔离度测试方法，采用上述量子通信系统收发端光隔离度测试装置，包括以下步骤：

25、步骤a，打开测试激光器二，并将测试激光器二出射激光的波长设置为波长值四。

26、步骤b，将测试激光器二出射激光的光功率设置为功率值四。

27、步骤c，使用频谱分析仪二测量测试激光器二与量子通信系统接收端接口一连接处激光光功率，记为输入功率值二，测量完成后将测试激光器二与量子通信系统接收端接口一连接。

28、步骤d，将频谱分析仪二与量子通信系统发送端接口二连接，并在频谱分析仪二测量从量子通信系统接收端接口二输出激光的光功率，等待输出光功率逐渐稳定。

29、步骤e，使用频谱分析仪二测量当前波长下从待测模块接口二输出激光的光功率，记为输出光功率二。

30、步骤f，将频谱分析仪测量的输入光功率二与输出光功率二相减，其结果记为隔离度二。

31、步骤g，以固定步长增加激光器的输出光功率，其步长记为功率步长二，重复步骤c至步骤f直到激光器的输出功率达到功率值三。

32、步骤h，以固定步长增加激光器的输出波长，其步长记为波长步长二，重复步骤c至步骤g直到激光器的输出波长达到波长值三。

33、步骤i，比较测试激光器在功率值三至功率值四，波长值三至波长值四中计算得到的所有隔离度二，并从中找到最小值，记最小隔离度二。

34、步骤j，预先设定的隔离度判别标准，记为阈值隔离度二。将最小隔离度二与阈值隔离度二进行比较，当最小隔离度二大于阈值隔离度二，则判别该量子通信系统接收端通过测试，

35、当最小隔离度二小于阈值隔离度二，则判别该量子通信系统接收端不通过测试。

36、本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

37、本发明采用激光二极管模拟信号光，并用频谱分析仪对经过量子通信系统收发端前后的光脉冲功率进行测量，从而能够对量子通信系统收发端的光隔离度进行测量，因此本发明能够评估量子通信系统收发端抵御量子攻击的能力，对提高量子通信系统的安全性和可靠性具有重要指导意义。