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