1、前言
量子密钥分发（QKD）通过双方交换安全密钥，可以提高理论上的信息安全性。然而，QKD系统仍然需要满足稳定性、小型化和低成本的要求，才能实现更广泛的应用。硅光技术的迅速发展将为量子通信提供很好的研究平台。一些研究证明，基于硅光技术的QKD在现实条件下是可行的。因此，基于芯片的通信系统将会被越来越多的研究与应用。
本文以“Chip-Based Quantum Key Distribution against Trojan-Horse Attack”为基础，详细描述了量子通信中的信息安全能力以及光频域反射技术如何应用到硅光发射芯片中的测量。
文章主要讨论了外部信息源对QKD系统的窃听攻击（Trojan-horse attack”，THA)。通过对大量文献的分析，QKD系统对THA的抵抗能力主要体现在强度调制器和相位调制器的反射能力上。即光通过相关器件后，其反射率越强，则反射光子能力越强，则外部源更容易检测到反射回光子，并通过相关光子解码系统的相关信息，那么，系统的安全性就越弱，反之则越强。这个结论对OFDR技术应用到量子通信上提供了理论基础。另外，文章关于量子力学理论方面的介绍这里不多阐述。
2、硅芯片的表征
文章研究了一个集成了偏振调制器和强度调制器的硅发射机芯片，这是外接源THA窃听基于芯片的QKD系统的主要目标。硅光发射芯片的结构图如图（a）所示：
它由四个主要组件组成：一维光栅耦合器、可变光衰减器、强度调制器和偏振调制器（在这里讨论THA方案对QKD系统的影响时，偏振调制器与相位调制器是等价的）。强度调制器是基于M-Z结构的干涉仪，两条臂分光比为50:50；相位由热光学调制器和载波损耗调制器调制，调制带宽分别约为kHz和GHz级别。利用pin管结构实现三个可变光衰减器，每个衰减率约为-33dB，用来将激光脉冲衰减到单光子级。偏振调制器由M-Z干涉仪和二维光栅耦合器组成。将M-Z干涉仪的两条臂与二维光栅耦合器相结合，可以将路径编码的信息转换为极化编码的信息。此外，硅芯片中的三个MPD用来检测光的功率。图中，POL为偏振调制器、TOM为热光调制器、CDM为载波调制器。整个芯片使用OCI1500 OFDR设备进行光频域的分布式反射测量。设备从ch3入口（2D grating）接入，整个芯片内部所有事件点反射率结果均同时呈现在一幅图中。从图（b）中测量结果可以看出，芯片内部每一个节点的反射率，均清晰的呈现出来，可泄露的偏振调制器和强度调制器的平均反射率分别为−64.45±0.02和−86.1±0.3 dB。
3、测试结果与讨论
为了寻找相应反射峰对应的具体某个单元反射（泄露）的信号，对强度调制器施加不同的调制电压，得到如下图所示的结果：
在施加0.5v电压时，反射峰位置大约在31mm处，反射率-100dB（图a）；在施加1v电压时，反射峰大约在26mm处，且反射率变为-90dB（图b）。作者还分别对硅芯片的信号通道和同步通道中的可变光衰减器进行调制，以确定其他反射峰的位置，结果如下图所示，为了清楚地看到这个变化，将2v直流电信号应用于可变光衰减器（约18dB的衰减）。
为了验证硅光芯片系统的安全性能，文章还用OFDR设备对光纤耦合的铌酸理强度调制器进行测量，并比较芯片、光纤耦合两种形式下的结果差异。两种形式调制器的测量结果如下图：
图中，红线框中为整个内部反射峰信息，而黑色框中为可泄露的强度调制器信息。从图中可以看出，硅芯片中泄漏强度信息的反射峰的反射率明显低于铌酸锂强度调制器，约14.08 dB（芯片为-86.1dB，光纤耦合铌酸锂为-72.02dB）。此外，由于芯片的尺寸较小，硅芯片内部的反射峰之间的间隔要小得多。在铌酸锂调制器中，泄露信息位置与非泄露信息反射峰的距离约71mm。而对于硅芯片，这个距离为2.69mm。因此，外部窃听源需要更窄的时域脉冲宽度和更高测量分辨率的激光来区分泄漏信息的脉冲和不泄漏信息的脉冲。所以，硅光芯片抵抗木马攻击的能力要更强，即信息安全性更高。
4、总结
文章通过光频域反射（OFDR）技术测量了小尺寸硅光芯片内部各个事件点的反射情况，评估了基于硅光的量子密钥分发（QKD）系统对抗时间黑客攻击（THA）的信息安全能力。研究结果表明，硅发射机芯片在面对THA时具有低反射率和短反射峰时间间隔的优势。具体来说，较低的反射率使得窃听者更难以获取被反射的木马光子；而较短的反射峰时间间隔则提高了对窃听者时域测量精度的要求。
在相关文献中，研究人员通常采用时域相关的光子探测技术进行类似测量。然而，对于本文中所使用的4.8x3mm²的小型硅光芯片，由于其尺寸极小，时域技术的距离分辨率不足，无法达到所需的高精度要求。相比之下，使用频域解调技术能够提供足够的距离分辨率，以满足精确测量的需求。
随着硅光技术和量子通信技术的不断进步，预计未来将更加广泛地应用OFDR设备来测量芯片级别的器件，从而进一步提升信息安全水平。
参考文献：Chip-Based Quantum Key Distribution against Trojan-Horse Attack；Hao Tan、Wei Li；PHYSICAL REVIEW APPLIED 15, 064038 (2021)
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