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(shí)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(shí)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(xì)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(xiàn)的分析，QKD系統(tǒng)對THA的抵抗能力主要體現(xiàn)在強(qiáng)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(qiáng)，則反射光子能力越強(qiáng)，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(qiáng)。這個(gè)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(xué)理論方面的介紹這里不多闡述。

它由四個(gè)主要組件組成：一維光柵耦合器、可變光衰減器、強(qiáng)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(shí)，偏振調(diào)制器與相位調(diào)制器是等價(jià)的）。強(qiáng)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(xué)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(shí)現(xiàn)三個(gè)可變光衰減器，每個(gè)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(gè)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(gè)芯片使用OCI1500 OFDR設(shè)備進(jìn)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(gè)芯片內(nèi)部所有事件點(diǎn)反射率結(jié)果均同時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度調(diào)制器的平均反射率分別為?64.45±0.02和?86.1±0.3dB。

在施加0.5v電壓時(shí)，反射峰位置大約在31mm處，反射率-100dB（圖a）；在施加1v電壓時(shí)，反射峰大約在26mm處，且反射率變?yōu)?90dB（圖b）。

同時(shí)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(jìn)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(gè)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(yàn)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(qiáng)度調(diào)制器進(jìn)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(gè)內(nèi)部反射峰信息，而黑色框中為可泄露的強(qiáng)度調(diào)制器信息。從圖中可以看出，硅芯片中泄漏強(qiáng)度信息的反射峰的反射率明顯低于鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器，約14.08dB（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(gè)距離為2.69mm。因此，外部竊聽源需要更窄的時(shí)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(qiáng)，即信息安全性更高。

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(gè)事件點(diǎn)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(shí)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(jī)芯片在面對THA時(shí)具有低反射率和短反射峰時(shí)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(shí)間間隔則提高了對竊聽者時(shí)域測量精度的要求。

在相關(guān)文獻(xiàn)中，研究人員通常采用時(shí)域相關(guān)的光子探測技術(shù)進(jìn)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(shí)域技術(shù)的距離分辨率不足，無法達(dá)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(jìn)步，預(yù)計(jì)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(jìn)一步提升信息安全水平。

參考文獻(xiàn)：Chip-Based Quantum Key Distribution against Trojan-Horse Attack；Hao Tan、Wei Li；PHYSICAL REVIEW APPLIED 15, 064038 (2021)