近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系朱卫仁副教授课题组在密码学超表面研究中取得重要进展，研究成果以“基于超表面的一次一密和大容量信息存储”（Cryptography Metasurface for One-Time-Pad Encryption and Massive Data Storage）为题在国际物理-光学领域著名期刊《Laser & Photonics Reviews》上发表。该工作提出了一种依托于超表面平台的一次一密和大容量信息存储方案。电子工程系博士生李振飞为论文的第一作者，朱卫仁副教授和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通讯作者。该论文的合作者还包括博士生张金、邵琳达，新加坡国立大学孔翔鸿博士，上海科技大学王雄研究员和硕士生张大钧、刘基。

基于密码学超表面的一次一密和大容量信息存储

论文背景

随着光/无线通信领域的快速发展，人们对信息的传输和存储安全越来越重视，因此衍生出了各种各样的新一代信息加密方法。其中，利用光/电磁加密手段来操控所携带信息的电磁波的波前特征，已成为现代信息安全的重要策略之一。它得益于电磁波丰富的自由度，频率、极化、幅度、相位和轨道角动量等均可以作为安全密钥来实现信息的加密和解密。而超表面因其在操控电磁波自由度方面的卓越能力而成为信息加密平台的有力候选。但基于该方法衍生的波场独立调控和信息安全等级，往往受到超表面可调控的自由度数量和加密层级的限制。此外，由于该方法对于单个秘密信息的解码过程依赖于单个秘钥的直接解密，单通道信息的直接暴露可能导致窃听者直接破译其它信道的相关信息，因此也面临着信息泄露的风险。

创新研究

(a) 提出的超表面解码的实验装置示意图   (b)实验装置照片   (c)两个正交极化的波导探头   (d)制备的超表面样品

与传统加密方法相比，一次一密（OTP）加密方案由于生成的密钥与目标秘密信息的长度相同且具有完全的随机特性，因此在密码学中具有理论上不可破解的特性。该项研究提出了一种新颖的OTP加密策略，在超表面平台中首次将OTP密钥存储和相关信息认证相结合。在该研究中，视觉秘密共享协议用于通过将秘密的每个像素编码为两个共享的子像素来生成一次性密钥，而每个共享不会泄露有关原始图像的任何信息。此外，将两个共享像素进一步编码为各向异性超表面中水平和垂直极化的随机密钥序列，用于进一步增强系统的安全性。在解密过程中，采用单个各向异性超表面作为密文，结合双重加密的极化密钥序列重构目标图像。该项工作中，一次性纯文本与两个随机极化编码的OTP秘钥序列成对存在，理论上，可以根据自己的需求定制任意的极化密钥序列，从而极大地提高信息的加密容量。通过利用基于极化可控的OTP加密方案取代基于多通道超表面的加密方法，这项工作实现了超表面的可重用性，并为信息加密和大容量数据存储提供了新的思路。

秘密信息在16种不同OTP密钥序列激励下的(a)仿真结果和 (b)实验结果

论文信息

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200113

资助项目：该工作得到了国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的资助。

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