面向物理层安全的混沌光通信和量子随机数产生技术研究

作     者：向顺凯 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王健

授予年度：2022年

学科分类：11[军事学] 1105[军事学-军队指挥学] 07[理学] 0839[工学-网络空间安全] 08[工学] 110505[军事学-密码学] 070201[理学-理论物理] 0803[工学-光学工程] 110503[军事学-军事通信学] 0702[理学-物理学] 

主      题：物理层安全 混沌光通信 神经网络 量子随机数产生 

摘      要：目前光纤通信网络作为整个通信网络的核心,是整个互联网通信的主干道和大动脉,承担了大量的信息交互任务。虽然光传输网络的容量和传输速度在各种先进技术的支持下已经得到了长足的发展和进步,但是各种层出不穷的信息泄露事件使得保证光网络的安全性成为了一个亟待解决的关键问题。目前绝大多数的信息加密都是采用数学算法的数字加密方式,容易被破解。以混沌激光通信和量子密钥分发为代表的物理层安全光通信技术因其不可预知和难于破解的保密特性,受到了广泛的关注,可以为构建更加安全的光通信网络提供强大的技术支撑。本文面向解决网络物理层安全问题,聚焦混沌光通信和量子密钥分发中的关键技术,开展了广泛的研究和探索,具体研究内容和成果如下:(1)实验研究了基于半导体激光器互注入的全光宽带混沌同步与通信方案。得益于两个半导体激光器的互注入,实现了3d B带宽为～13GHz的平坦光混沌载波的产生。采用单向光注入的方式实现了同步系数高达0.961的高质量混沌同步,并验证了混沌滤波效应的存在。成功实现了12.5Gbaud开关键控(OOK:On-Off Keying)信号和10Gbaud正交相移键控(QPSK:Quadrature Phase-Shift Keying)信号的加密传输。(2)实验研究了基于深度神经网络的混沌同步与通信方案。根据硬件闭环混沌同步的结构特点,对传统神经网络的结构进行了针对性改进并提出了具有延时反馈结构的新型神经网络。系统研究了不同反馈神经元数目下的同步系数和保密性能,确定了最佳的反馈神经元数目并获得了高质量的混沌同步。成功实现了10Gbaud和12Gbaud QPSK信号的加密传输。(3)针对量子密钥分发中的真随机数产生问题,理论和实验研究了基于分布反馈式(DFB:Distributed Feedback)激光器强度和相位噪声的量子随机数产生方案。理论研究了量子随机数产生的基本模型,系统分析了用于量子噪声测量的非平衡马赫曾德尔干涉仪(u MZI:unbalanced Mach-Zehnder Interferometer)在不同相位差下的随机数产生性能,并进行了实验证实。理论和实验证明,u MZI的最佳相位差为π/2。最后利用托普利兹-哈希(Toeplitz-hashing)随机性提取器对位于最佳相位差下的原始序列进行了随机性提取,提取得到的最终随机比特序列通过了美国国家标准与技术研究院(NIST:National Institute of Standards and Technology)的随机数测试。