Журнал «Оптика атмосферы и океана»

Том 33, номер 08, статья № 2

Аксенов В. П., Дудоров В. В., Колосов В. В., Погуца Ч. Е., Левицкий М. Е. Анализ корреляции интенсивности в приемо-передающих лазерных системах для формирования криптографического ключа. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 08. С. 591–597. DOI: 10.15372/AOO20200802. PDF
Скопировать ссылку в буфер обмена

Аннотация:

Исследуются потенциальные возможности и ограничения использования флуктуаций интенсивности лазерных пучков, распространяющихся в турбулентной атмосфере, для генерации случайных данных при формировании криптографических ключей в системе конфиденциальной оптической передачи информации. Метод базируется на теореме взаимности для оптических полей. Выполнено численное моделирование распространения света в системе из двух направленных друг на друга приемо-передатчиков, сигналы от которых искажены атмосферным каналом. Создана экспериментальная установка и проведено экспериментальное исследование формирования коррелированных случайных сигналов в такой системе. Экспериментально установлена необходимость фильтрации низких частот принимаемых сигналов, исследована ее эффективность. На основе численного моделирования установлены зависимости коэффициента корреляции от геометрических параметров системы и турбулентных условий на трассе для различных дистанций, радиусов апертур, значений интенсивности турбулентности. Теоретические результаты хорошо согласуются с результатами лабораторного эксперимента.

Ключевые слова:

лазерное излучение, конфиденциальная оптическая связь, криптография, атмосферная турбулентность, флуктуации интенсивности, теорема взаимности

Список литературы:

1. Fürst H., Weier H., Nauerth S., Marangon D.G., Kurtsiefer C., Weinfurter H. High speed optical quantum random number generation // Opt. Express. 2010. V. 18, N 12. P. 13029–13037. DOI: 10.1364/OE.18. 013029.
2. Fiorentino M., Santori C., Spillane S.M., Beausoleil R.G., Munro W.J. Secure selfcalibrating quantum random-bit generator // Phys. Rev. 2007. V. 75, N 3. DOI: 10.1103/PhysRevA.75.032334.
3. Gabriel C., Wittmann C., Sych D., Dong R., Mauerer W., Andersen U.L., Marquardt C., Leuchs G. A generator for unique quantum random numbers based on vacuum states // Nat. Photon. 2010. V. 4, N 10. P. 711–715. DOI: 10.1038/NPHOTON.2010.197.
4. Bennett C.H., Brassard G. Quantum cryptography: public key distribution and coin tossing // Theor. Comput. Sci. 2014. V. 560, N 1. P. 7–11. DOI: 10.1016/j.tcs. 2014.05.025.
5. Сидоров В.В., Карпов А.В., Сулимов А.И. Метеорная генерация секретных ключей шифрования для защиты открытых каналов связи // Информ. технол. и вычислительные системы. 2008. № 3. С. 45–54.
6. Sulimov A.I., Galiev A.A., Karpov A.V., Markelov V.V. Verification of wireless key generation using software defined radio // Proc. Intern. Siberian Conf. on Control and Commun. (SIBCON). Tomsk, Russia. 2019. P. 1–6. DOI: 10.1109/SIBCON.2019.8729607.
7. Sulimov A.I., Karpov A.V. Performance evaluation of meteor key distribution // Proc. the 12th Intern. Conf. on Security and Cryptography (SECRYPT-2015). Colmar, France. 2015. P. 392–397.
8. Premnath S.N., Jana S., Croft J., Gowda P.L., Clark M., Kasera S.K., Patwari N., Krishnamurthy S.V. Secret key extraction from wireless signal strength in real environments // IEEE Trans. Mobile Comput. 2013. V. 12, N 5. P. 917–930.
9. Wallace J.W., Sharma R.K. Automatic secret keys from reciprocal MIMO wireless channels: Measurement and analysis // IEEE Trans. Inf. Forensics Security 2010. V. 5, N 3. P. 381–392.
10. Minet J., Vorontsov M.A., Polnau E., Dolfi D. Enhanced correlation of received power-signal fluctuations in bidirectional optical links // J. Opt. 2013. V. 15, N 2. P. 022401.
11. Drake M.D., Bas C.F., Gervais D.R., Renda P.F., Townsend D., Rushanan J.J., Francoeur J., Donnangelo N.C., Stenner M.D. Optical key distribution system using atmospheric turbulence as the randomness generating function: Classical optical protocol for information assurance // Opt. Eng. 2013. V. 52, N 5. P. 055008.
12. Wang N., Song X., Cheng J., Leung V.C. Enhancing the security of free-space optical communications with secret sharing and key agreement // J. Opt. Commun. Netw. 2014. V. 6, N 12. P. 1072–1081.
13. Shapiro J.H., Puryear A.L. Reciprocity-enhanced optical communication through atmospheric turbulence – Part I: Reciprocity proofs and far-field power transfer optimization // J. Opt. Commun. Netw. 2012. V. 4, N 12. P. 947–954.
14. Bornman N., Forbes A., Kempf A. Random number generation & distribution out of thin (or thick) air // J. Opt. 2020. V. 22, N 7. P. 075705. DOI: 10.1088/ 2040-8986/ab9513.