撰稿人 | 孙实，马慧锋
论文题目 | High-security nondeterministic encryption communication based on spin-space-frequency multiplexing metasurface
主要作者 | 孙实，勾越，崔铁军，马慧锋*
完成单位 | 东南大学毫米波全国重点实验室
研究背景
信息安全在生活的方方面面都发挥着重要作用。为了防止信息泄露，人们研究了各种密码学技术，以追求通信的高安全性。然而，随着计算机算力的快速提升以及量子计算机概念的提出，基于传统经典纯算法层加密的技术例如DES算法，对称加密AES算法甚至非对称加密RSA算法都面临着巨大的安全挑战。为了解决这个问题，研究人员提出了一些结合数字层和物理层的安全技术，其加密过程既依赖于特定的计算算法，也依赖于信道通道的物理特性，只有同时破解算法层和信道的物理层加密，才能破解密文。
超表面由于在操纵电磁波的多个自由度方面具有强大的能力，已广泛用作信息加密的物理平台，具体来说就是通过超表面将信息隐藏电磁波相位，幅度，极化，频率等物理参量中。然而，由于超表面对电磁波调控的自由度有限，传统只利用超表面在物理层对信息加密的方案面临着信息安全性低的问题。另外，此前提出的加密方案对于相同明文生成的密文是唯一的，这样会带来加密信息被窃听者通过频率攻击的方法破解的风险。
导读
本研究提出了一种基于自旋-空间-频率复用超表面的非确定性消息加密方案，以超表面生成的8通道独立点阵全息图为基础，结合算法操作对目标信息进行加密，并将加密信息转化为一个二维码，便于发送。接收用户得到二维码后，可以扫描它以获取加密信息，然后根据预先约定的加密协议算法，并结合超表面生成的独立点阵全息图，即可恢复目标消息。该方案融合了算法层和物理层加密，还可以为同一明文信息生成多个不同的密文，以防止窃听者通过频率攻击对加密信息进行破解，比传统的纯物理层或算法层加密方案具有更高的安全性。该研究以“High-Security Nondeterministic Encryption Communication Based on Spin-Space-Frequency Multiplexing Metasurface”为题目于2024年12月2日发表于 PhotoniX 期刊。
主要研究内容
本研究首先提出了一种自旋-空间-频率多路复用超表面，它可实现8个具有不同自旋、空间和频率特性的独立点阵全息图。信息加密过程中，发送者首先将目标信息转换为相应的5×5点阵图像，然后根据超表面的8个点阵全息图编码结果，将这些图像进一步转换为二进制编码矩阵，再对矩阵进行算法层加密操作后，将其扩展为一维二进制编码序列，最后将此序列转换为一个加密二维码，以便从公共渠道（例如，微信、邮件等）发送给接收者。接收者收到二维码后，通过扫描二维码获取加密二进制编码序列，然后使用预先商议的算法协议将二进制编码序列进行恢复成编码矩阵，进一步结合作为物理层密钥超表面的全息点阵图，即可恢复出目标信息。同时，由于超表面点阵图的精心设计，本方案对于同一个明文信息可以生成多个不同的密文信息（即不同的二维码），从而有效防止加密信息通过频率攻击的方法被破解，也可以防御窃听者进行重放攻击，从而大大增强了信息的安全性。
技术突破与创新
本研究首先创新地提出了一种自旋-空间-频率多路复用超表面，它可以在透射和反射空间同时产生8个相位独立的通道，如图1中上部分所示。进一步地，基于此超表面，本研究创新地提出了一种高安全性的加密方案。相较于传统的纯算法层加密或基于超表面的纯物理层加密的方法，此方案将超表面作为密钥，对明文同时进行物理层和算法层加密，使信息的安全性大大提升。另外，此方案对于相同明文生成的密文可以是完全不同的，也就是同一个明文信息可以加密成完全不同的二维码，如图1下部分所示，从而可大大增加信息被窃听者通过频率攻击破解的难度，有效提升信息的安全性。
图1 设计的超表面和使用超表面作为物理层密钥的文本消息加密通信方案的示意图。超表面可以在 8 个不同的通道中实现独立的相位操作，从而能够实现 8 个不同点阵全息图。在通信加密方案中，发送者将目标消息被加密成二维码，接收者可以在接收端使用超表面作为密钥对密文进行解密，恢复出明文信息。
观点评述
本文提出的基于自旋-空间-频率多路复用超表面加密方案将算法层加密和物理层加密相结合，接收者只有同时知道加密算法和拥有相应超表面时，才能正确地恢复出目标信息。而对于窃听者，如果他们只截获到通过公共通道发送的二维码，在没有相应超表面的情况下，几乎不可能破解加密信息。同时，该方案可将同一条明文信息加密成多个不同的密文（即不同的二维码），可有效防止消息被多次检测而破解，进一步增强了方案的安全性。本文虽然通过微波频段实验验证了所提出加密方案的可行性，但此方案可以很容易地拓展到光学频段，我们相信其在光学频段量子安全、防伪等领域具有更大的应用前景。
主要作者介绍
孙实，2018 年在西安电子科技大学习并获得学士学位。目前正在东南大学电磁场和微波技术专业攻读博士学位，研究领域是超表面在加密技术的应用。
马慧锋，东南大学毫米波全国重点实验室教授，博导。在Science Advances, Nature Communications, Advanced Functional Materials等国际权威期刊发表学术论文200余篇，谷歌学术引用11000余次，H指数52，连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者。获得国家自然科学二等奖（2014年、2018年）、教育部自然科学一等奖（2012年），研究工作曾入选“中国科学十大进展”。主要研究方向为电磁超材料、人工表面等离激元，新型微波毫米波天线/器件。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00154-3
文献检索：
PhotoniX 5, 35 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00154-3
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