保护与随机物体的光通信

方案示意图。 Alice 向 Bob 发送信息，而 Eve 则尝试检索信息。在该方案中，原始信息只有在通过两个PUF后才能检索到，这意味着夏娃无法获取信息。资料来源：屯特大学

复杂光子系统（COPS）小组的研究人员利用两层随机材料对通过光通信发送的信息进行加密和解密。这样，他们同时隐藏了发送方和接收方，只有当光线穿过两层材料时，信息才能被接收。

研究小组在《光学快报》（Optics Express）杂志上发表了他们的研究成果，并认为这一概念验证可应用于可见光通信系统、光保真（LiFi）和光纤通信。

在数字信息是我们这个互联世界的命脉的时代，确保其安全性至关重要。加密技术在保护我们的数据安全方面发挥着至关重要的作用，它将简单的信息转化为复杂的模式，然后再将其转换回来，如果信息在中间被截获，加密技术将无法破译。

随着技术以前所未有的速度发展，通信的未来将在可见光领域。但是，我们如何才能保证这种尖端通信形式的安全性呢？

出人意料的是，解决方案可能就在日常用品中。屯特大学（University of Twente）的研究人员与埃因霍温工业大学（Technical University of Eindhoven）和创新型Signify公司（前身为飞利浦照明公司）的专家合作，证明了随机材料--例如一层涂料、一张纸或一个玻璃扩散器--可以通过扰乱信息来增强光通信的保密性。

当光线穿过这些随机材料时，会向多个方向散射，形成一种复杂的图案，即斑点图案。这种图案正是加密的基础。
 

在接收方（Bob）处分配50,000个随机图案。通过这种分布，Alice和Bob可以确定哪些图案是二进制0或二进制1。鲍勃只需测量A点和B点即可接收信息。资料来源：屯特大学
这种加密遵循物理不可克隆函数（PUF）的概念。PUF是一个非常复杂的对象，以至于无法用现有技术复制。如果将PUF用作加密密钥，只有正确的密钥（不可克隆）才能访问信息。在这种情况下，密钥就是随机对象，而信息就是斑点模式。

复杂光子系统（COPS）小组的研究人员将这一概念推向了更高的层次。他们不再使用单一密钥加密信息，而是使用两层随机介质作为双密钥。这样，他们就同时隐藏了发送方和接收方，只有当光线同时穿过两个密钥时，信息才能被接收。任何试图在传输过程中截获信息的恶意窃听者都会看到毫无意义的随机图案混合物，与原始信息完全无关。

此外，系统的冗余性也提高了保密性。所提议的系统基于在发送方使用类似于屏幕投影仪（或光束仪）的设备对入射光进行调制。由于随机材料非常复杂，因此有成千上万种不同的方法来调制光线，从而产生相同的信息，同时改变两个密钥之间的随机模式。如果发送方在不同的调制方式之间不断切换，中间的攻击者就会被随机模式所淹没，而接收方则不受影响。

Alfredo Rates、Joris Vrehen、Bert Mulder、Wilbert L. Ijzerman和Willem L. Vos的论文 "利用多散射层的斑点增强光通信的保密性 "发表在《光学快报》（Optics Express）上。Vos的论文发表在《光学快报》上。该论文所使用的数据可在Zenodo数据库中获得。

参考资料

Alfredo Rates et al, Enhanced secrecy in optical communication using speckle from multiple scattering layers, Optics Express (2023). DOI: 10.1364/OE.493479

Rates Alfredo et al, From Noise to Signal: Multi-layer Speckle Correlation with Applications in Visible Light Communication, Zenodo (2022). DOI: 10.5281/zenodo.6397330