Side-channel attack to quantum communications by exploiting electromagnetic radiations of the single photon detectors

Abstract

In this thesis an unprecedented cyber-physical attack which can be a game changer in the quantum cryptosystems' security is explained. This attack is the first non-optical patented intercept in quantum field that is based on a security issue in the physical layer of the quantum communication and key distribution systems. We experimentally and theoretically showed that the bit contents of a quantum key transmission system can be intercepted from far away by exploiting the ultrawideband electromagnetic signals radiated from the hi-voltage avalanche effect of the single photon detectors. This concept was a significant hidden secret based on the physical nature of the single photon detectors that are generally used in quantum key distribution. It has been proved theoretically and experimentally that any Geiger-mode avalanche photodiode that is used inside single photon detectors, systematically acts like a downconverter that converts the optical-wavelength photons to radio-wavelength photons. Our experiments also showed that the radiated waveforms captured by an ultrawideband antenna can be used as a unique fingerprint to find which photodiode in the cryptosystem has absorbed a photon. These fingerprints were fed to a deep learning neural network as training data, and after training, the neural network was able to clone the bit content of quantum transmission with high accuracy.Bu tezde, kuantum şifreleme sistemlerinin güvenliğinde ezber bozan, eşi görülmemiş bir siber-fiziksel saldırı açıklanmaktadır. Bu saldırı, kuantum iletişim ve anahtar dağıtım sistemlerinin fiziksel katmanındaki bir güvenlik sorununa dayanan kuantum alanındaki ilk optik olmayan patentli engellemedir. Deneysel ve teorik olarak, bir kuantum anahtar iletim sisteminin bit içeriğinin, tekli foton dedektörlerinin yüksek voltaj çığ etkisinden yayılan ultra geniş bant elektromanyetik sinyalleri kullanarak uzaktan yakalanabileceğini gösterdik. Bu kavram, genellikle kuantum anahtar dağıtımında kullanılan tek foton dedektörlerinin fiziksel doğasına dayanan önemli bir gizli sırdı. Tek foton dedektörlerinde kullanılan herhangi bir Geiger modlu çığ fotodiyotunun sistematik olarak optik dalga boylu fotonları radyo dalgaboyu fotonlarına dönüştüren bir aşağı dönüştürücü gibi davrandığı teorik ve deneysel olarak kanıtlanmıştır. Deneylerimiz ayrıca, bir ultra geniş bantlı anten tarafından yakalanan yayılan dalga biçimlerinin, şifreleme sistemindeki hangi fotodiyotun bir fotonu emdiğini bulmak için benzersiz bir parmak izi olarak kullanılabileceğini gösterdi. Bu parmak izleri, eğitim verileri olarak bir derin öğrenme sinir ağına beslendi ve eğitimden sonra, sinir ağı, kuantum iletiminin bit içeriğini yüksek doğrulukla klonlayabildi.