[論文レビュー] Incoherent mode division multiplexing for high-security information encryption

Xin Liu, Sergey A. Ponomarenko+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Orbital Angular Momentum in Optics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、構造的ランダム光ビームのコherences度を一般化モードとして用いた非整合モード多重技術を提案し、高セキュリティかつ高容量な光情報暗号化を実現する。従来の整合的手法とは異なり、モードクロストークを排除し、信号対雑音比が-13.55 dBにまで低下しても、構造的類似度指標（SSIM）が実験で0.90以上、シミュレーションで0.92に達するなど、ノイズに強く、耐障害性に優れた画像回復を実現する。

ABSTRACT

In the age of information explosion, the conventional optical communication protocols are rapidly reaching the limits of their capacity, as almost all available degrees of freedom (e.g., wavelength, polarization) for division multiplexing have been explored to date. Recent advances in coherent mode division multiplexing have greatly facilitated high-speed optical communications and secure, high-capacity information storage and transfer. However, coherent mode division multiplexing is quite vulnerable to even minute environmental disturbances which can cause significant information loss. Here, we propose and experimentally demonstrate a paradigm shift to incoherent mode division multiplexing for high-security optical information encryption by harnessing the degree of coherence of structured random light beams. In contrast to the conventional techniques, our approach does not require mode orthogonality to circumnavigate unwanted mode crosstalk. In addition, our protocol has, in principle, no upper bound on its capacity. Thanks to the extreme robustness of structured random light to external perturbations, we are able to achieve highly accurate information encryption and decryption in the adverse environment. The proposed protocol opens new horizons in an array of fields, such as optical communications and cryptography, and it can be relevant for information processing with acoustical, matter as well as other types of waves.

研究の動機と目的

• 実用的な光通信システムにおいて、深刻なモードクロストークと環境への感受性を抱える従来の整合的モード多重技術の限界を克服すること。
• 乱流や散乱などの強い環境的摂動下でも高い忠実度を維持できる、ノイズに強い光暗号プロトコルの開発。
• コherences度によって特徴づけられる構造的ランダム光ビームの本質的頑健性を活用し、モードの直交性を要件としない高容量・高セキュアな情報符号化を実現すること。
• 事前・事後補正を要しない、実験的に検証された実用的で信号劣化に強い光情報暗号化および復号化手法の実現。
• メタサーフェスを用いた制御により、光を越えて音響的・地震的・物質波などの他の波動系へもこの技術の適用を拡張すること。

提案手法

• 従来の直交モード（例えば軌道的角運動量状態など）に代わり、ランダム光ビームの複素コherences度を一般化モードとして用いる。
• 空間光変調器（SLM）を用いて、必要に応じて光ビームのコherences度を形状化し、情報のカスタマイズ可能な符号化を可能にする。
• 光干渉法の原理を応用して、光場の2次相関関数を制御・調整し、暗号鍵の基盤を形成する。
• 情報は、位相歪みや振幅変動に対して本質的に耐性を持つ光場の空間的・時間的相関関数に符号化される。
• 復号には、測定された強度パターンからコherences度の振幅および位相を数学的逆問題により再構成する。これにより、セキュリティが確保される。
• 波長や偏光といった追加の自由度を用いた多重化が可能であり、これによりさらに容量を向上できる。

Figure 1: Comparison of coherent structured and structured random light beams. A detecting device typically records a time-averaged intensity profile $I({\bf{r}})\propto\int{dt}{{\lvert E({\bf{r}},t)\lvert}^{2}}$ . A coherent light beam is represented by, a stationary deterministic electric field, a

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造的ランダム光ビームのコherences度は、モードの直交性を要件としない高容量な光情報符号化の安定した自由度として機能できるか？
• RQ2 強い環境ノイズや信号劣化下でも、非整合的モード多重は情報の忠実度をどの程度維持できるか？
• RQ3 従来の手法と比較して、この暗号プロトコルのセキュリティは、暗号文の直接測定に対する耐性の観点からどの程度優れているか？
• RQ4 メタサーフェス技術を用いることで、本手法を音響的・地震的波動など他の波動系へ一般化できるか？
• RQ5 無限に多くの一般化モードがコherences度によって定義されるという前提のもと、このようなシステムにおける理論的および実用的な情報容量上限は何か？

主な発見

• 信号対雑音比（SNR）が-13.55 dBという極めて低い状態でも、信号エネルギーが全エネルギーの4.2%にまで低下しても、高忠実度の画像回復が達成され、極めて強いノイズ耐性を示す。
• 実験的に回復された画像の構造的類似度指標（SSIM）は0.9077に達し、深刻なノイズ下でも視覚的品質と正確性が高く保たれていることを示している。
• 信号エネルギー割合が100%から4.2%に低下しても、SSIMが0.9314から0.9077にわずかに低下するにとどまり、信号劣化に対する耐性が確認された。
• 暗号化は、暗号文が2次相関関数（コherences度）に符号化されており、直接測定が不可能であり、復号には完全な位相および振幅再構成が必要であるため、情報の安全な符号化が可能である。
• 実験結果とシミュレーション結果がよく一致しており、シミュレーションのSSIMが0.92、実験が0.90と、プロトコルの信頼性が裏付けられている。
• コherences度によって定義される一般化モードの数が無限に存在するため、理論的に容量上限がないという点で、本手法は本質的にスケーラブルである。

Figure 2: Hologram design for incoherent mode encoding and multiplexing. a. and b. Schematics of a protocol for encoding multiple optical images into a structured random light beam based on Eq. ( 2 ). The independent target optical images “A” and “B” are multiplied by complex random functions $\Im_{