Письма в ЖЭТФ, том 116, вып. 2, с. 123 - 127

Исследование уязвимости систем квантового распределения ключей

от атак с лазерным повреждением элементов на основе

нейтральных светофильтров

С. В. Алферов⁺¹⁾, К. Е. Бугай^∗×, И. А. Паргачев⁺

⁺АО ИнфоТеКС, 127273 Москва, Россия

^∗ООО СФБ Лаб, 127273 Москва, Россия

^×МГТУ им. Н. Э. Баумана, 105005 Москва, Россия

Поступила в редакцию 23 мая 2022 г.

После переработки 2 июня 2022 г.

Принята к публикации 4 июня 2022 г.

Системы квантового распределения ключей (КРК) являются открытыми для нарушителя в том

смысле, что помимо атаки на квантовые состояния, нарушитель может проводить атаку на оборудова-

ние. И если в первом случае уязвимости устраняются фундаментальными ограничениями (например,

теорема о запрете клонирования) или есть теоретические обоснования к их устранению, то во втором

случае уязвимость зависит от практической реализации аппаратуры. Атака с лазерным повреждением

оптических компонентов, именуемая в литературе как “Laser Damage Attak” (LDA), может позволить

нарушителю уменьшить ослабление оптических элементов и привести к компрометации распределяе-

мых ключей. В данной работе рассмотрен способ защиты от атаки с лазерным повреждением оптиче-

ских компонентов на основе нейтральных светофильтров. Изложена схема, имитирующая действия зло-

умышленника во время проведения атаки LDA. Показан подход, позволяющий рассчитывать параметры

оптических элементов в результате воздействия атаки. Проанализированы процессы, происходящие в об-

разцах под действием мощного лазерного излучения. На основе экспериментальных данных был сделан

вывод об устойчивости и ограничениях нейтральных светофильтров при использовании в системах КРК

как средство противодействия от атаки LDA.

DOI: 10.31857/S1234567822140099, EDN: izmicg

1. Введение. Секретность КРК традиционно ас-

го лазерного излучения (со стороны ВОЛС) меняют-

социируется с фундаментальными законами кванто-

ся характеристики оптических элементов, а именно,

вой механики. Однако зачастую практическая реа-

уменьшается их коэффициент ослабления. В резуль-

лизация имеет недостатки, которые создают уязви-

тате открываются возможности для атаки с отщепле-

мость. Существует целый ряд работ, в которых опи-

нием фотонов (PNS) или для атаки с активным зон-

сываются подобные уязвимости [1-3]. Часто систе-

дированием электрооптических элементов (THA). В

мы КРК используют оптические импульсы, ослаб-

свою очередь увеличение коэффициента ослабления

ленные до квазиоднофотонного уровня. Это достига-

уменьшает скорость выработки квантового ключа,

ется с помощью оптического аттенюатора, который

приводит к росту ошибок QBER вплоть до полного

может быть различных конфигураций. Так, в рабо-

прекращения генерации. Таким образом, существу-

те [4] было показано, что некоторые виды аттеню-

ет актуальная задача поиска и создания оптических

аторов устойчивы к атаке LDA, но с оговоркой на

элементов, устойчивых к атакам с лазерным повре-

ограниченность длительности и мощности лазерного

ждением.

воздействия. В работе [5] показано, что нейтральный

2. Тестирование на устойчивость к LDA.

светофильтр с двухсторонним покрытием, выполня-

Тестирование оптического аттенюатора осуществ-

ющий функцию аттенюатора, уязвим к атаке с лазер-

лялось согласно схеме, продемонстрированной на

ным повреждением элементов при мощности выше

рис. 1. Излучение контрольного лазера проходило в

34 дБм. Уязвимость систем КРК в результате атаки

прямом направлении через изолятор и вводилось в

LDA возникает от того, что под действием мощно-

волоконный светоделитель с коэффициентом деле-

ния света 90/10. Мощность контрольного лазера со-

¹⁾e-mail: Sergey.Alferov@infotecs.ru

ставляла 18 дБм и не менялась на протяжении все-

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 1 - 2

2022

123

124

С. В. Алферов, К. Е. Бугай, И. А. Паргачев

разец состоял из оснастки с двумя коллимирующи-

ми линзами с числовой апертурой 0.13 для ввода и

вывода излучения из волокна в свободное простран-

ство и обратно. Коллимированный пучок ослаблял-

ся с помощью нейтрального светофильтра. Свето-

фильтр представлял собой стеклянную пластину из

стекла, окрашенного в массе (марка стекла СЗС-16).

Рис. 1. Экспериментальная схема измерения. ALAS -

Исследовались светофильтры с оптической плотно-

контрольный лазер; ISOL - изолятор для мощного ла-

стью OD= 2.0 и 3.0 с диаметром 12 мм, толщиной

зерного излучения; COUPLER - светоделитель 90/10;

1.25 и 2 мм соответственно.

DET1 - измеритель мощности # 1 для детектирования

Ключевая идея использования предложенного ат-

излучения контрольного лазера; DUT - исследуемый

тенюатора заключается в снижении плотности мощ-

образец; ELAS - атакующий лазер, EDFA - усилитель

ности на светофильтре за счет коллиматоров, что,

лазерного излучения; CIR - циркулятор (цифрами обо-

соответственно, повышает стойкость системы КРК

значены порты); SP - спектральный фильтр; DET2 -

к мощному излучению. Вторым важным обстоятель-

измеритель мощности # 2 для детектирования излуче-

ством является то, что у используемых светофиль-

ния контрольного лазера; прошедшего через образец

тров спектральная характеристика пропускания яв-

ляется плоской, что обеспечивает защиту в широком

го эксперимента для того, чтобы можно было оце-

спектральном диапазоне [6]. Также к достоинствам

нивать изменение ослабления исследуемых образ-

исследуемого образца относится возможность быст-

цов. В измеритель мощности # 1 отводилось 10 %

рой замены и отсутствие дополнительных доработок

мощности излучения контрольного лазера, осталь-

при установке. К недостаткам можно отнести боль-

ные 90 % мощности направлялись к исследуемому об-

шие габариты оснастки и достаточно высокую стои-

разцу. Изолятор предназначался для блокирования

мость по сравнению с другими вариантами защиты

излучения, распространяющегося от светоделителя

от атаки LDA.

к выходу контрольного лазера. Измеритель мощно-

Последовательность измерений проходила в

сти #1 предназначался для контроля поступающей

несколько этапов:

на исследуемый образец мощности от контрольного

1. Измерение начального ослабления света образ-

лазера. Излучение, имитирующее LDA (так называ-

цом до воздействия на него излучением высокой

емое “атакующее излучение”), формировалось атаку-

мощности.

ющим лазером и усилителем. Мощность атакующего

2. Оценка шумовой составляющей, возникающей

излучения регулировалась коэффициентом усиления

вследствие отражения и рассеяния атакующего из-

и варьировалась от 25 до 37.4 дБм. Излучение высо-

лучения.

кой мощности от усилителя вводилось в исследуемый

3. Измерение ослабления света образцом во время

образец через циркулятор, который, помимо марш-

воздействия на него излучением высокой мощности.

рутизации, также служил для блокирования излуче-

При измерении начального ослабления образца

ния, распространяющегося в обратном направлении

определялась мощность контрольного лазера (полез-

от исследуемого образца к выходу усилителя.

ный сигнал) в отсутствии атакующего излучения.

Излучение контрольного лазера, прошедшее че-

Сбор данных с детекторов (здесь и далее) произво-

дился в течении одной минуты с периодом измерения

рез исследуемый образец, направлялось с помощью

циркулятора к измерителю мощности # 2. Кроме из-

10 мс, с последующим вычислением среднего значе-

ния мощности в единицах дБм на обоих детекторах -

лучения контрольного лазера, к измерителю мощно-

P₁ и P₂ соответственно. Далее рассчитывалось ослаб-

сти #2 также распространялось отраженное и рас-

ление (дБ):

сеянное от элементов схемы излучение лазера, ими-

тирующего атаку. С помощью спектрального филь-

A=P₁ +K_c -P₂ -A_s,

(1)

тра излучение мощного лазера блокировалось, а из-

лучение контрольного лазера проходило к измерите-

где K_c - коэффициент деления мощности между вы-

лю мощности # 2. Согласно спектральной характе-

ходами светоделителя в дБ, A_s - потери на пути “вы-

ристике пропускания фильтра, подавление атакую-

ход светоделителя-Дет.2” в отсутствии исследуемого

щего излучения составляло не менее 50 дБ. Длины

образца (дБ).

волн атакующего и контрольного лазера устанавли-

Для определения уровня шумовой составляющей,

вались равными 1561 и 1547.3 нм. Исследуемый об-

вследствие отражения и рассеяния атакующего из-

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 1 - 2

2022

Исследование уязвимости систем квантового распределения ключей...

125

лучения, контрольный лазер блокировался и в схему

ние ослабления светофильтров # 1, 2 (так называ-

подавалось лазерное излучение мощностью 37.4 дБм.

емое “просветление”) относительно начального зна-

Наибольшая мощность шумовой составляющей для

чения. При мощности атакующего излучения от 25

всех образцов светофильтров на детекторе #2 со-

до 27 дБм ослабление относительно начального по-

ставляла 79 дБм. Отличие полезного сигнала от шу-

ложительно, т.е. наблюдается уменьшение ослабле-

ма составляло как минимум 41.4 дБ, поэтому шу-

ния (увеличение пропускания) светофильтра. При

мовой составляющей в расчетах можно было прене-

дальнейшем росте мощности атакующего лазера от

бречь. Таким образом, расчет ослабления для каждо-

27 до 37.4 дБм наблюдается увеличение ослабления

го значения мощности атакующего излучения произ-

светофильтра относительно начального. На рисун-

водился аналогичным образом по формуле (1). После

ке 4 показан график ослабления светофильтра # 3

оценки шумовой составляющей, излучение контроль-

ного лазера разблокировалось и проводились изме-

рения ослабления светофильтров при разных мощ-

ностях атакующего излучения, а именно, от 25 до

37.4 дБм с шагом 1 дБ.

На рисунке 2 представлен график ослабления

нейтральных светофильтров # 1, 2 (OD = 2.0, тол-

Рис. 4. (Цветной онлайн) Ослабление светофильтра # 3

в зависимости от мощности атакующего излучения

(OD = 3.0, толщина 2 мм) в зависимости от мощности

атакующего излучения. На рисунке 5 показано из-

Рис. 2. (Цветной онлайн) Ослабления светофильтров

# 1, 2 в зависимости от мощности атакующего излуче-

ния

щина 1.25 мм) в зависимости от мощности атакую-

щего излучения. Значение на оси ординат (здесь и

далее) соответствует начальному значению ослабле-

ния. Из графика видно, что ослабление светофиль-

тров не постоянно. На рисунке 3 показано измене-

Рис. 5. (Цветной онлайн) Изменение ослабления свето-

фильтра # 3 относительно начального значения

менение ослабления светофильтра относительно на-

чального ослабления. Из графиков видно, что для

данного образца наблюдается увеличение ослабле-

ния светофильтра во всем диапазоне мощности ата-

кующего излучения.

Уменьшение ослабления образцов # 1, 2 можно

объяснить следующим образом. Согласно паспорт-

ным данным, потери оснастки в отсутствии све-

тофильтра составляют порядка 1.5 дБ. При малых

Рис. 3. (Цветной онлайн) Изменение ослабления свето-

мощностях (25 ÷ 26) дБм еще не происходит рез-

фильтров # 1, 2 относительно начального значения

кой деградации светофильтра, однако из-за нагрева

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 1 - 2

2022

126

С. В. Алферов, К. Е. Бугай, И. А. Паргачев

возникает термооптический эффект, приводящий к

формированию тепловой линзы [7]. Из-за этого про-

исходит изменение траектории излучения внутри ис-

следуемого образца. В результате такой “разъюсти-

ровки” потери в схеме уменьшаются, что интерпрети-

руется как уменьшение ослабления. Другим возмож-

ным объяснением может быть то, что при нагреве

светофильтра возникает смещение коротковолновой

границы и полос поглощения в область более длин-

ных волн, а также размывание полос поглощения

[8]. Дальнейшее увеличение ослабления по мере воз-

растания мощности атакующего излучения, вероят-

но, связано с деформацией светофильтра, а именно,

плавлением, образованием кратера и растрескивани-

ем. Виден кратер круглой формы размером поряд-

ка 900 мкм (рис. 6), а также образовавшаяся трещи-

на (рис. 7). На рисунке 8 показан увеличенный фраг-

мент, где видны неоднородности на границе оплавле-

ния кратера.

Рис. 7. (Цветной онлайн) Трещина вокруг кратера

Рис. 8. (Цветной онлайн) Граница кратера

Рис. 6. (Цветной онлайн) Кратер в масштабе

Для понимания процессов, происходящих с

25 Вт/см для длины волны 1064 нм. Согласно [10]

образцом во время воздействия атакующего из-

пересчет порога повреждения для другой длины

лучения, оценим плотность мощности на его

волны выражается через соотношение длин волн,

поверхности. Согласно [9] порог повреждения вслед-

поэтому для интересующей нас длины волны порог

ствие воздействия лазерного излучения (LIDT)

разрушения будет равен 36.4 Вт/см.

для непрерывного излучения удобнее выражать в

Оценим минимальную и максимальную плотно-

линейной плотности мощности (Вт/см), поскольку в

сти мощности, достигнутые в экспериментах. Для

таком случае этот порог не зависит от размера осве-

этого необходимо разделить мощность излучения на

щающего пучка. Для стекла СЗС-16 (зарубежный

размер поперечного сечения пучка на поверхности

аналог KG3 Schott) порог повреждения составляет

светофильтра. С учетом числовой апертуры колли-

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 1 - 2

2022

Исследование уязвимости систем квантового распределения ключей...

127

маторов 0.13 и расстояния от коллиматора до свето-

светофильтров с помощью принудительного или пас-

фильтра размер пучка составил порядка 1.3 мм, что

сивного охлаждения. Второй способ заключается в

хорошо согласуется с рис. 6. Подаваемый диапазон

увеличении пятна воздействия на светофильтр. Это-

мощности, с учетом потерь в волоконном тракте ра-

го можно достичь увеличением числовой апертуры

вен (24.5 ÷ 36.9)дБм, что соответствует (0.3 ÷ 4.9)

коллиматоров, либо увеличением расстояния меж-

Вт. В таком случае линейная плотность мощности

ду входным коллиматором и светофильтром. Третий

составляет (2.2 ÷ 37.7) Вт/см, что свидетельствует о

способ заключается в подборе светофильтров с бо-

достижении порога повреждения на верхней границе

лее высокими параметрами стойкости к лазерному

диапазона. Отметим, что приведенные значения но-

воздействию. И последний фактор, который следует

сят качественный характер, поскольку порог пробоя

учитывать, это собственные потери оснастки - сле-

зависит от факторов, которые не учитывались в рас-

дует использовать оснастку с минимальными поте-

чете, например, загрязнение поверхности образца.

рями.

Заключение. Проведенные эксперименты пока-

зали, что нейтральные светофильтры, окрашенные

1. A. Lamas-Linares, J. Opt. Express. 15, 9388 (2007).

в массе, уязвимы к атаке с лазерным поврежде-

нием элементов (LDA) при мощности в диапазоне

2. S. Sajeed, Phys. Rev. A 91, 032326 (2015).

(25 ÷ 27) дБм, поскольку в этом диапазоне наблюда-

3. F. Xu, New J. Phys. 12, 113026 (2010).

ется уменьшение ослабления. При дальнейшем росте

4. V. Makarov, Phys. Rev. Appl. 13, 034017 (2020).

мощности атакующего излучения происходит уве-

5. POSTER SESSION (# 16) [В Интернете]. Available:

личение ослабления светофильтров. Была выявле-

http://qutes.org/wp-content/uploads/2021/11/

на необратимая деградация светофильтра под дей-

Poster_session.pdf [Дата обращения: 04 04 2022].

ствием мощного лазерного излучения, что на наш

6. Спектральные

характеристики

про-

взгляд является причиной увеличения ослабления

пускания

светофильтров

из

цветно-

светофильтров. На основе экспериментальных дан-

го

стекла

[В

Интернете].

Available:

ных было показано, что достигаемая в ходе экспе-

http://www.elektrosteklo.ru/Elektrosteklo_Color

римента линейная плотность мощности превышает

_Glass_Spectral_Transmittance.pdf,

[Дата обраще-

порог разрушения данной марки стекла. Отметим,

ния: 04 04 2022].

что описанная атака является простейшей с точки

7. J. Peñano, Ph. Sprangle, A. Ting, R. Fischer, B. Hafizi,

зрения реализации, в том смысле что возможны го-

and Ph. Serafim, J. Opt. Soc. Am. B 26, 3 ( 2009).

раздо более тонкие и малозаметные способы необра-

8. В. А. Зверев, Е. В. Криповустова, Т. В. Точилина,

тимо повредить оптические компоненты аппаратной

Оптические материалы, Учебное пособие для кон-

части КРК.

структоров оптических систем и приборов, СПб НИУ

Дальнейшая работа будет направлена на повы-

ИТМО, СПб. (2013).

шение стойкости светофильтров к мощному излуче-

9. R. M. Wood, Optics and Laser Tech. 29, 517 ( 1998).

нию. На наш взгляд наиболее оптимальными и дей-

10. Unmounted NIR Absorptive ND Filters [В Интерне-

ственными являются следующие соображения. Во-

те] Available: https://www.thorlabs.com, [Дата обра-

первых, следует увеличить теплоотвод с поверхности

щения: 04 04 2022].

Письма в ЖЭТФ том 116 вып. 1 - 2

2022