[논문 리뷰] Incoherent mode division multiplexing for high-security information encryption

Xin Liu, Sergey A. Ponomarenko외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 13.

Orbital Angular Momentum in Optics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고보안·고용량 광정보 암호화를 위한 일반화된 모드로 구조화된 랜덤 광비트의 강도를 이용한 비코herent 모드 분할 multiplexing를 제안한다. 코herent 방법과 달리 모드 간 간섭을 제거하고, 신호 대 잡음비가 -13.55 dB에 이르는 매우 낮은 수준에서도 강인하고 잡음에 민감하지 않은 이미지 복원을 달성하며, 실험에서는 구조적 유사도 지수(SSIM)가 0.90 초과, 시뮬레이션에서는 0.92를 기록한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 광통신 시스템에서 심각한 모드 간 간섭과 환경에 민감한 전통적인 코herent 모드 분할 multiplexing의 한계를 극복하기 위해.
• 터뷸런스나 산산이 흩어지는 현상과 같은 강한 환경적 왜곡 조건에서도 높은 정밀도를 유지할 수 있는 잡음에 강건한 광암호화 프로토콜을 개발하기 위해.
• 구조화된 랜덤 광비트의 강도를 특징으로 하는 내재적 강건성을 활용하여, 모드의 수직성 조건이 필요 없이 고용량·고보안 정보 인코딩을 가능하게 하기 위해.
• 예측 보정 없이도 신호 열화에 강건하고 실험적으로 검증된 광정보 암호화 및 복호화 방법을 실용적으로 구현하기 위해.
• 메타표면 기반 제어를 통해 이 기술의 적용 범위를 광학을 넘어 음향, 지진파, 물질파와 같은 다른 파동 시스템으로 확장하기 위해.

제안 방법

• 전통적인 수직 모드(예: 궤도 각운동량 상태) 대신, 랜덤 광비트의 복소 강도를 일반화된 모드로 사용한다.
• 공간 광변조기(SLM)를 활용하여 필요에 따라 광비트의 강도를 형상화함으로써 정보를 커스터마이징 인코딩할 수 있다.
• 광학 히스토그램 원리를 적용하여 광장의 이阶 상관 함수를 제어하고 조정함으로써 암호화 키의 기초를 마련한다.
• 정보는 광장의 공간적·시간적 상관 함수에 인코딩되며, 이는 위상 왜곡과 진폭 변동에 본질적으로 강인하다.
• 복호화 과정에서는 측정된 강도 패atters로부터 강도의 크기와 위상을 수학적 역행렬을 통해 재구성함으로써 보안성을 확보한다.
• 이 방법은 파장 또는 편광도와 같은 추가 자유도를 활용한 멀티plexing에 확장 가능하여 용량을 더욱 증가시킬 수 있다.

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

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조화된 랜덤 광비트의 강도가 모드 수직성 조건 없이도 안정적이고 고용량의 광정보 인코딩에 적합한 도구가 될 수 있는가?
• RQ2 강한 환경적 잡음과 신호 열화 조건에서도 비코herent 모드 분할 multiplexing가 정보 무결성을 얼마나 잘 유지할 수 있는가?
• RQ3 기존 방법과 비교해 볼 때, 이 암호화 프로토콜의 보안성은 암호문의 직접 측정에 얼마나 강건한가?
• RQ4 메타표면 기술을 활용해 이 방법을 음향파나 지진파와 같은 다른 파동 시스템으로 일반화할 수 있는가?
• RQ5 무한한 수의 일반화된 모드가 정의된 강도를 기반으로 하여, 이 시스템의 이론적 및 실용적 최대 용량은 얼마인가?

주요 결과

• 신호 대 잡음비(SNR)가 -13.55 dB인 조건에서도 고정밀도 이미지 복원이 가능하며, 이는 총 에너지의 4.2%만이 신호일 때도 성립하여 극도로 높은 잡음에 대한 내성을 입증한다.
• 실험적으로 복원된 이미지의 구조적 유사도 지수(SSIM)는 0.9077에 도달하여, 심각한 잡음 조건에서도 높은 시각적 품질과 정확도를 유지함을 나타낸다.
• 신호 에너지 비율이 100%에서 4.2%로 감소함에 따라 SSIM이 0.9314에서 0.9077로 약간 감소하는 것으로 나타나, 신호 열화에 대한 강건성을 확인한다.
• 암호문이 이阶 상관 함수(강도)에 인코딩되어 있어 직접 측정이 불가능하고, 복호화를 위해서는 전체 위상과 진폭 재구성 필요하므로, 이 방법은 정보 암호화에 있어 본질적으로 보안성이 높다.
• 실험 결과는 시뮬레이션 결과와 매우 유사하며, 시뮬레이션에서는 SSIM 0.92, 실험에서는 SSIM 0.90를 기록하여 프로토콜의 신뢰성을 검증한다.
• 강도로 정의된 무한한 수의 일반화된 모드가 존재하므로, 이 방법은 이론적으로 용량에 상한선이 없이 본질적으로 확장 가능하다.

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_{