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摘要： 提出一种基于半导体晶格混沌物理随机数的测控信息加密方法。分析了半导体量子超晶格混沌物理随机数相关原理，设计了密钥分发、同步体制和星地系统信息交换理论模型。实验结果表明：物理随机序列具有良好的均匀性、复杂度、相关性等，满足真随机特性，可应用于绝对安全的测控信息保密传输。
关键词： 信息加密，量子阱超晶格，随机序列，线性复杂度，密钥
【中图分类号】047l【文献标识码】A【文章编号】2236-1879（2018）01-0258-02
1.引言
随机序列在测量测距、扩频通信和密码学等领域都有广泛的应用，在信息安全系统中扮演着十分重要的角色。伪随机数序列是由伪随机数发生器产生的，通常是由确定性的计算机算法和长度有限的种子序列来生成。这种伪随机数序列容易实现且有极快的生成速率，通过特定的复杂的算法设计可以生成周期非常大，并且破解难度很高的随机序列，如BBM伪随机数发生器等。因此伪随机数序列在许多安全性要求级别不是很高的场合被广泛地使用。然而，不管采用的算法多么复杂，但它最终是确定的。一但入侵者獲取了最核心的算法，或是攻击者有了更强的计算资源及破解算法，那么就会降低伪随机序列的随机性，在此基础上的应用就会受到安全威胁。真随机数序列是由真随机数发生器产生的。不确定的物理现象从本质上来说是完全随机的，比如大气噪声，电子噪声，频率抖动等。 2013年中科院纳米所张耀辉团队研制了量子阱超晶格混沌物理随机数信号发生器，其速率达到80Gbit/s，且不具有可复制性，因而具备了真随机特性。本文以量子阱超晶格混沌物理随机数信号为基础，研究分析基于混沌物理随机数的测控信息保密传输的方法。
2.相关理论
2.1 随机性分析。
量子阱超晶格结构示意图以及超高速处理版实物图如图1（a）和（b）所示。图1（a）给出的是50个周期的量子阱超晶格。量子阱中每层的实际厚度只有2nm夹在壁垒之间，壁垒层为GaAs/Al0.5Ga0.55As。
混沌物理随机数就是从这一核心器件中发出的。产品化的超晶格混沌物理随机信号处理模块如图1（b）所示。
首先对信号的相关特性进行分析，其结果如下如图2所示。
实验中随机截取了多段二进制随机数据，分别对其自相关和互相关特性进行测试。结果表明：任何两段数据的互相关为零；任一段数据的自相关只有延迟为零时为极大值，延迟增加自相关迅速为零，其抑制比高达76 dB。
对每段数据的线性复杂度进行分析，其实验结果如图3所示。可以发现，线性复杂度与理想可视为理想情况下的随机序列的线性复杂度。
2.2温度特性。
温度和偏置电压是影响电子器件的重要因素，实验中我们对随机信号发生器的温度特性和偏置电压对信号的影响进行分析。器件特性随温度变化如图4所示 。包括I-V曲线图，出现混沌振荡时的时域图。
3.同步方案设计与实现
对于一个通信系统，同步是关键核心之一。实验中发现量子超晶格信号发生器具有如下重要性质。
（1）量子阱超晶格随机信号发生器一经制作，来自同一母体的的器件具有完全相同的随机特性，其随机序列完全相同，与时间无关。
（2）量子阱超晶格随机信号发生器的随机信号不仅与时间无关，而且与位置、磁场、压强、重力场等因素无关。但与温度、偏置电压和受激信号特性有关。在温度相同的情况下，可以通过控制偏置电压和受激信号来获取不同的随机序列。
（3）两个量子阱超晶格随机信号发生器输出的随机序列的开始可以通过加控制偏置电压的加载或者受激信号的加载来控制。
根据以上特点，设计了如图5所示的同步系统。
图6中量子阱超晶格随机信号发生器A与B产生相同的随机序列，前者作为随机信号对二进制位流进行加密，后者作为密钥对接收的信息进行解密。实现测控信息加密传输。这种加密方法是基于物理真随机数的，具备不可破译的特性。其同步效果如图6所示。
4 结论
本文以量子阱超晶格随机信号发生器为基础，重点对其随机特性、同步特性进行分析设计，从实验上验证了信号的随机性和测控信息加密传输的可行性。
参考文献
[1]M. Stipcevic and R. Ursin， An On-Demand Optical Quantum Random Number Generator with In-Future Action and Ultra-Fast Response， Scientific reports， 5：1-8， 2014.
[2]依思.斯图尔滕著.判涛译.上帝掷骨子吗——混沌之数学[M]，上海远东版社.1996.
[3]程极泰著.混沌的理论与应用[M]，上海科学技术出版社，1991.
关键词： 信息加密，量子阱超晶格，随机序列，线性复杂度，密钥
【中图分类号】047l【文献标识码】A【文章编号】2236-1879（2018）01-0258-02
1.引言
随机序列在测量测距、扩频通信和密码学等领域都有广泛的应用，在信息安全系统中扮演着十分重要的角色。伪随机数序列是由伪随机数发生器产生的，通常是由确定性的计算机算法和长度有限的种子序列来生成。这种伪随机数序列容易实现且有极快的生成速率，通过特定的复杂的算法设计可以生成周期非常大，并且破解难度很高的随机序列，如BBM伪随机数发生器等。因此伪随机数序列在许多安全性要求级别不是很高的场合被广泛地使用。然而，不管采用的算法多么复杂，但它最终是确定的。一但入侵者獲取了最核心的算法，或是攻击者有了更强的计算资源及破解算法，那么就会降低伪随机序列的随机性，在此基础上的应用就会受到安全威胁。真随机数序列是由真随机数发生器产生的。不确定的物理现象从本质上来说是完全随机的，比如大气噪声，电子噪声，频率抖动等。 2013年中科院纳米所张耀辉团队研制了量子阱超晶格混沌物理随机数信号发生器，其速率达到80Gbit/s，且不具有可复制性，因而具备了真随机特性。本文以量子阱超晶格混沌物理随机数信号为基础，研究分析基于混沌物理随机数的测控信息保密传输的方法。
2.相关理论
2.1 随机性分析。
量子阱超晶格结构示意图以及超高速处理版实物图如图1（a）和（b）所示。图1（a）给出的是50个周期的量子阱超晶格。量子阱中每层的实际厚度只有2nm夹在壁垒之间，壁垒层为GaAs/Al0.5Ga0.55As。
混沌物理随机数就是从这一核心器件中发出的。产品化的超晶格混沌物理随机信号处理模块如图1（b）所示。
首先对信号的相关特性进行分析，其结果如下如图2所示。
实验中随机截取了多段二进制随机数据，分别对其自相关和互相关特性进行测试。结果表明：任何两段数据的互相关为零；任一段数据的自相关只有延迟为零时为极大值，延迟增加自相关迅速为零，其抑制比高达76 dB。
对每段数据的线性复杂度进行分析，其实验结果如图3所示。可以发现，线性复杂度与理想可视为理想情况下的随机序列的线性复杂度。
2.2温度特性。
温度和偏置电压是影响电子器件的重要因素，实验中我们对随机信号发生器的温度特性和偏置电压对信号的影响进行分析。器件特性随温度变化如图4所示 。包括I-V曲线图，出现混沌振荡时的时域图。
3.同步方案设计与实现
对于一个通信系统，同步是关键核心之一。实验中发现量子超晶格信号发生器具有如下重要性质。
（1）量子阱超晶格随机信号发生器一经制作，来自同一母体的的器件具有完全相同的随机特性，其随机序列完全相同，与时间无关。
（2）量子阱超晶格随机信号发生器的随机信号不仅与时间无关，而且与位置、磁场、压强、重力场等因素无关。但与温度、偏置电压和受激信号特性有关。在温度相同的情况下，可以通过控制偏置电压和受激信号来获取不同的随机序列。
（3）两个量子阱超晶格随机信号发生器输出的随机序列的开始可以通过加控制偏置电压的加载或者受激信号的加载来控制。
根据以上特点，设计了如图5所示的同步系统。
图6中量子阱超晶格随机信号发生器A与B产生相同的随机序列，前者作为随机信号对二进制位流进行加密，后者作为密钥对接收的信息进行解密。实现测控信息加密传输。这种加密方法是基于物理真随机数的，具备不可破译的特性。其同步效果如图6所示。
4 结论
本文以量子阱超晶格随机信号发生器为基础，重点对其随机特性、同步特性进行分析设计，从实验上验证了信号的随机性和测控信息加密传输的可行性。
参考文献
[1]M. Stipcevic and R. Ursin， An On-Demand Optical Quantum Random Number Generator with In-Future Action and Ultra-Fast Response， Scientific reports， 5：1-8， 2014.
[2]依思.斯图尔滕著.判涛译.上帝掷骨子吗——混沌之数学[M]，上海远东版社.1996.
[3]程极泰著.混沌的理论与应用[M]，上海科学技术出版社，1991.