Kryptografische Systeme und Informationssicherheit beruhen auf unvorhersehbaren, nicht manipulierbaren zufälligen Bits, die physikalischer Natur sind. Insbesondere im Zusammenhang mit privaten Schlüsselsystemen, die bedingungslose Sicherheit über „One-Time-Pad“-Kryptografie ermöglichen, bestimmt die Echtzeit-Erzeugungsrate physikalischer Zufallsbits entscheidend die sichere Kommunikationsrate.
Optisches Chaos stellt aufgrund seiner hohen Bandbreite und großen Amplitudenschwankungen einen zuverlässigen Weg dar, um schnelle Zufallsbits in Echtzeit zu erzeugen. Die meisten Zufallsbitgeneratoren, die auf optischem Chaos basieren, führen ihre Quantisierung jedoch im elektrischen Bereich unter Verwendung von elektrischen Analog-Digital-Wandlern durch, sodass ein elektronischer Engpass derzeit ihre Echtzeitraten begrenzt. Die große Lücke zwischen den physikalischen Zufallsbiterzeugungsraten und modernen Kommunikationsraten ist eine grundlegende Schwäche dieser Sicherheitssysteme.
Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonik, hat ein internationales Forscherteam aus China und dem Vereinigten Königreich kürzlich eine neuartige, vollständig optische Zufallsbiterzeugungsmethode (RBG) vorgeschlagen und experimentell demonstriert. Chaotische Pulse werden in einem physikalischen zufälligen Bitstrom in der optischen Domäne mittels einer Länge einer hochgradig nichtlinearen Faser quantisiert. Im Proof-of-Concept-Experiment generierten sie erfolgreich einen zufälligen 10-Gb/s-Bitstrom in einem einzelnen Kanal.
Das Team stellt fest, dass die aktuelle Ratenzeit von 10 Gb/s nur durch die angenommene Chaosbandbreite begrenzt ist. Ihr Schema kann möglicherweise mit viel höheren Raten als 100 Gb/s arbeiten, wenn die Bandbreite der chaotischen Entropiequelle ausreichend ist, wenn man bedenkt, dass die Kerr-Nichtlinearität der Silikafaser mit einer ultraschnellen Reaktion von wenigen Femtosekunden ausgenutzt wird, um den Schlüsselteil des Quantisierungslasers zu bilden Chaos.
Rein optisches RBG kann die Ratenbegrenzung der elektronischen Signalverarbeitung effektiv umgehen. Für zukünftige Anwendungen könnten elektrische Schaltungen aufgrund der praktischen Vorteile von Photonen schließlich vollständig durch rein optische Geräte ersetzt werden.
Ya Guo et al, Ultraschnelle und physische Zufallsbitextraktion in Echtzeit mit rein optischer Quantisierung, Fortgeschrittene Photonik (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.3.035001
Bereitgestellt von SPIE – International Society for Optics and Photonics