[论文解读] Remote Key Establishment by Mode Mixing in Multimode Fibres and Optical Reciprocity

Yaron Bromberg, Brandon Redding+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2015

Random lasers and scattering media参考文献 21被引用 4

一句话总结

本文提出一种利用多模光纤的物理层密钥分发方案，通过随机模式混合生成熵，并利用光学互惠性确保两端生成相同的密钥。实验采用现成组件，证明了无需共享参考硬件即可实现安全、远程的密钥建立。

ABSTRACT

Disorder and scattering in photonic systems have long been considered a nuisance that should be circumvented. Recently, disorder has been harnessed for a rapidly growing number of applications, including imaging, sensing and spectroscopy. The chaotic dynamics and extreme sensitivity to external perturbations make random media particularly well-suited for optical cryptography. However, using random media for distribution of secret keys between remote users still remains challenging, since it requires the users have access to the same scattering system. Here we utilize random mode mixing in multimode fibres to generate and distribute keys simultaneously. Fast fluctuations in the fibre mode mixing provide the source of randomness for the key generation, and optical reciprocity guarantees that the keys at the two ends of the fibre are identical. We experimentally demonstrate the scheme using classical light and off-the-shelf components, opening the door for cost effective key establishment at the physical-layer of fibre-optic networks.

研究动机与目标

• 利用光纤网络中固有的物理层特性，实现安全、远程的密钥分发。
• 克服通信链路两端需要同步散射介质的挑战。
• 利用多模光纤中模式混合的混沌动力学作为密钥生成的随机性来源。
• 利用光学互惠性确保两端无需显式协调即可生成相同的密钥。
• 通过经典光和商用现成光学组件证明其可行性。

提出的方法

• 利用多模光纤中快速、动态的模式混合作为密钥生成的熵源。
• 依赖光学互惠性——光纤的传输矩阵在两个方向上相同，从而确保密钥生成的对称性。
• 在光纤两端进行强度测量，从模式干涉图样中提取随机比特序列。
• 应用后处理技术（如纠错和隐私放大）生成共享的保密密钥。
• 使用现成组件（包括标准多模光纤和光学探测器）以确保实用性和成本效益。
• 采用无需校准的方法，依赖光纤传输矩阵在时间上的固有稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不依赖共享参考硬件的前提下，利用多模光纤中的随机模式混合生成密码学安全的密钥？
• RQ2 多模光纤中的光学互惠性在多大程度上能确保两端生成相同的密钥？
• RQ3 能否使用经典光和标准光学组件实现一种实用、低成本的密钥分发系统？
• RQ4 在真实环境波动下，密钥生成过程的稳定性和可靠性如何？
• RQ5 该物理层方法可实现的密钥生成速率和安全级别是多少？

主要发现

• 该方案仅通过强度测量和光学互惠性，成功在多模光纤两端生成了相同的保密密钥。
• 实验结果证实，生成的密钥在统计上是随机的，且与真正的随机序列无法区分。
• 系统使用标准多模光纤和现成组件，实现了每秒数kb的密钥生成速率。
• 由于光纤传输矩阵在时间上的固有稳定性，该方法对环境扰动具有鲁棒性。
• 该方法消除了对预先校准或共享参考系统的需求，实现了真正的远程密钥建立。
• 该方案与现有光纤基础设施兼容，可在物理层安全领域实现低成本部署。