在量子通信中，信号发生器作为核心组件，负责生成量子态编码所需的精确信号（如光脉冲的频率、相位、幅度和时序）。然而，其物理实现中的微小漏洞可能被攻击者利用，通过侧信道攻击（Side-Channel Attack, SCA）窃取密钥信息。以下是信号发生器防止侧信道攻击的关键技术及策略：
一、侧信道攻击的常见类型及威胁
侧信道攻击通过分析信号发生器的物理特性（如电磁辐射、功耗、声学振动、热分布等）而非直接破解量子协议，间接获取密钥信息。典型攻击包括：
- 电磁泄漏攻击：通过探测信号发生器的电磁辐射（如激光二极管驱动电流的谐波），推断光子脉冲的时序或相位信息。
- 功耗分析攻击：分析信号发生器的功耗波动（如调制器驱动电压的变化），推测量子态编码模式。
- 声学攻击：利用信号发生器内部元件（如压电陶瓷）的振动频率，反推相位或频率调制参数。
- 光泄漏攻击：探测信号发生器未完全屏蔽的光信号（如散射光），获取光子脉冲的强度或时间信息。
二、信号发生器的抗侧信道设计技术
1. 电磁屏蔽与隔离
- 全金属封装：将信号发生器核心模块（如激光二极管、调制器）封装在导电金属壳内，屏蔽高频电磁辐射。例如，采用铜或铝制机箱，配合导电橡胶密封圈，实现-60 dB以上的电磁屏蔽效能。
- 滤波设计：在电源线和信号线上集成低通滤波器，抑制高频噪声（如开关电源的谐波）泄漏。例如，使用磁珠和电容组成的π型滤波器，截止频率低于100 MHz。
- 光隔离：在信号发生器与外部设备（如量子密钥分发终端）之间采用光纤连接，避免电磁信号通过导线耦合泄漏。
2. 功耗均衡与随机化
- 恒定功耗设计：通过动态调整信号发生器的非关键模块（如散热风扇）的功耗，掩盖量子态编码相关的功耗变化。例如，在光脉冲发射期间增加冗余计算任务，使总功耗保持恒定。
- 随机化调制：在量子态编码中引入随机噪声，掩盖真实的调制信号。例如，在相位编码QKD中，对每个光脉冲的相位添加随机偏移量，使攻击者无法通过功耗波动区分不同相位状态。
- 双轨编码：采用双路信号发生器，同时生成互补的量子态（如0和π相位），通过差分信号传输抵消功耗波动的影响。
3. 声学与振动抑制
- 减振设计：将信号发生器安装在气浮隔振台或橡胶减震器上，阻断机械振动传播路径。例如，气浮隔振台的共振频率低于10 Hz，可有效隔离环境振动。
- 声学屏蔽：在信号发生器外壳内衬吸音材料（如聚氨酯泡沫），吸收元件振动产生的声波。同时，避免使用可振动元件（如机械继电器），改用固态开关（如MOSFET）。
- 随机振动注入：通过压电陶瓷主动引入随机振动，掩盖真实的调制信号相关的振动特征。
4. 光泄漏防护
- 光陷阱设计：在信号发生器内部设置光吸收材料（如黑色哑光涂料），减少散射光泄漏。例如，在激光二极管周围涂覆碳纳米管复合材料，吸收99.9%以上的杂散光。
- 波导集成：将光信号传输路径集成在光子芯片上，避免光纤连接处的光泄漏。例如，采用硅基光子学技术，实现光信号的全内反射传输。
- 光隔离器：在信号发生器输出端集成光隔离器，阻止反向传播的光信号（如反射光）被探测器接收，避免信息泄漏。
5. 温度控制与稳定性优化
- 恒温控制：通过TEC制冷和PID算法将信号发生器核心温度稳定在±0.01℃以内，减少热胀冷缩引起的元件参数变化（如激光波长漂移），避免攻击者通过温度波动推断调制信号。
- 冗余设计：对关键模块（如时钟源、调制器）采用冗余备份，当主模块参数异常时自动切换至备用模块，防止因元件老化或故障导致的侧信道漏洞。
三、量子通信协议层面的防护
信号发生器的抗侧信道设计需与量子通信协议结合，形成多层次防护：
- 诱骗态协议（Decoy-State Protocol）：通过随机插入不同强度的诱骗态光脉冲，混淆攻击者对信号态的识别，即使侧信道泄漏部分信息，也无法区分真实密钥和诱骗态。
- 测量设备无关QKD（MDI-QKD）：将信号发生器与探测器分离，使攻击者无法同时控制信号源和探测端，从而阻断侧信道攻击路径。
- 连续变量QKD（CV-QKD）：采用高斯调制相干态，通过统计特性隐藏密钥信息，使侧信道攻击难以提取有效数据。
四、典型应用案例
- 中国“京沪干线”量子通信网络
- 采用全金属封装的信号发生器，集成电磁屏蔽和光隔离设计，电磁泄漏低于-80 dBm/Hz@1 GHz。
- 通过恒温控制将激光波长稳定性优化至±0.1 pm，减少温度相关的侧信道漏洞。
- 瑞士ID Quantique Clavis3 QKD系统
- 引入随机化调制和双轨编码技术，使功耗分析攻击的成功率降低至10⁻¹²以下。
- 采用气浮隔振台和声学屏蔽设计，振动噪声抑制比超过40 dB。
- 美国Quantum Xchange Phio TX量子密钥分发终端
- 集成光陷阱和波导集成技术，光泄漏强度低于-100 dBm，避免光泄漏攻击。
- 通过FPGA实现动态功耗均衡，功耗波动标准差小于0.1%。
