14、基于统计物理的加密/解密机器

基于统计物理的加密/解密机器

1. 引言

基于互联网的通信、多媒体系统、远程医疗或军事通信等领域，都需要高速的数据加密。因此，在各个领域中，高速密码系统对于大数据量传输和实时性要求是必不可少的。秘密密钥流密码适用于这些高速加密系统。

流密码会生成不可预测的长密钥序列。这些伪随机密钥位（即加密密钥）随后会与数据进行按位异或运算，以实现加密和解密。由于自然界中的许多过程本身就包含随机性，本研究的主要思路就是利用这种自然随机性来生成加密密钥。

包含随机性的物理系统似乎不遵循明确的规则，仅仅由概率支配。此外，有些系统无需外部随机输入，也能在内部产生明显的随机性。例如，从简单初始状态演化而来的元胞自动机，能产生极为复杂的模式，其许多特征看似随机。

本章所考虑的物理系统是铁磁材料。随着温度升高，热振荡（即熵）会与铁磁偶极子的排列趋势相互竞争。在高温下，磁化现象消失，偶极子变得无序。

为了模拟该系统在高温下的情况，以获得这些预测的无序偶极子特征，我们采用了著名的二维伊辛模型。在该模型中，一个自旋（用一位编码）代表一个偶极子，空间和时间都是离散的。自旋晶格（或位阵列）的演化规律由相邻自旋之间的局部规则定义。

自旋晶格与元胞自动机单元阵列之间的映射似乎显而易见。那么，对于一个快速且资源消耗少的秘密密钥密码系统，哪些局部规则更为合适呢？我们将尝试回答这个问题。在秘密密钥密码学的框架下，我们将提出伊辛自旋机（ISM）作为数据流加密的可行性模型。

ISM 是同步的，需要通过一组参数进行初始化。然后，在每个时间步，ISM 会生成一个伪随机位阵列，将待加密的数据流从南向北移动，并将数据与随机位进行组合（逻辑异或运算）。解密过程与