基于脆弱性分析的量子密码安全性研究

The security of quantum cryptography is a difficult problem in the research area and is the key factor of whether it can be applied to practice. Based on vulnerability mining, this project study on the security of quantum cryptography protocols, systems and networks from a view of an attacker. Firstly, we investigate the security of practical QKD systems, especially the practical MDI-QKD system, then try to disclose the vulnerability of these systems and propose attack strategy and security solutions. By summarizing the attack strategy adopted by an eavesdropper, we propose new quantum cryptography protocols, which immune to quantum hackers, with both high efficiency and feasibility. Secondly, from the view of composition, we study the security of QKD network protocols, reveal the underlying loopholes, and explore the testing method of QKD network protocols. Finally, we investigate the security property of QKD networks based on trusted repeater nodes under the cascading-based attack, which triggers a cascading failure on the QKD network and seriously threatens the security. We focus on constructing a model for describing cascading phenomena on QKD networks and also presenting a defense strategy for controlling cascading by analytically calculating the capacity of the key buffer in each QKD-repeating nodes. The research production of this project is helpful for the practical and standardization of quantum cryptography, enriching the security analysis methods of quantum cryptography protocols and systems, and improving the security of quantum cryptography.

量子密码的安全性是量子密码研究中的难点问题,也是决定其能否走向实用化的关键。本课题重点从攻击者的角度出发，采用脆弱性分析的方法，在协议、系统、网络三个层面上研究量子密码的安全性。深入分析实际量子密码系统，特别是MDI-QKD系统的安全性，探索其可能存在的脆弱环节，提出攻击方法和改进方案，并设计更安全、更实用的新型量子密码协议。从复合协议分析的观点出发，分析量子密码网络协议的潜在脆弱性，探索适用于量子密码网络协议的形式化分析与安全验证方法。分析量子密码网络中的级联效应问题，建立量子密码网络的级联崩溃模型并提出解决方案。本课题的研究成果有助于推动量子密码的实用化和标准化进程，丰富量子密码协议和系统的安全性分析方法，提高量子密码的安全性。

项目围绕计划书中内容展开相关研究，在量子密码实际系统安全性分析方面，发现了现有量子密码实际系统中的两个安全漏洞，一个是诱骗态量子密钥分配系统中如果使用不同光电流强度来激发不同的激光强度这种方法来调制信号态或诱骗态时，将可能导致两种态具有时间上的可区分性；另一个安全漏洞存在于Alice采用的实际光源中，Eve可以采用种子激光注入攻击方法控制Alice光源发出的脉冲信号强度，从而破坏量子密码系统安全性。在量子密码网络方面，发现了两个量子密码网络设计方面可能存在的安全隐患。一是分析了目前实用化程度最高的量子密码网络——部分可信中继量子密码网络中多路径随机路由机制的安全性，并指出在一个具有先验知识的网络攻击者面前，该机制的安全性无法得到保证。另一个发现是这种多路径传输机制在实际应用时还可能面临遭受级联攻击的问题，攻击者可以集中攻击少量的节点，引发级联效应，使网络局部区域中的许多条链路无法使用。我们提出了适用于QKD网络的级联模型并分析了如何避免遭受该类问题。在协议设计方面，研究发现简单将量子密码与支付协议结合并不一定会带来安全性的增强，相反，由于量子密钥分配方式本身的限制，如果不能科学地设计支付协议，还有可能导致安全漏洞存在。我们引入了形式化的分析手段来分析量子支付协议，通过设计一种简洁的时间表达式，改进现有的逻辑推理方法，提出了一种逻辑推导和时间分析相互独立的形式化分析方法。