基尔霍夫 - 约翰逊噪声(KLJN)安全密钥交换的误差分析与优化
1. 引言
在信息安全领域,信息理论安全(常被称为“无条件安全”)至关重要。它意味着安全措施由信息理论或物理系统中的测量理论决定,其完善程度取决于窃听者(“Eve”)获取最大信息量的假定最优条件。
量子密钥分配(QKD)是首个基于物理定律宣称具备无条件安全的方案,但这一宣称存在争议。一些量子安全专家质疑QKD方案可实现的安全水平,而Renner则为量子密码学的基础和现有安全证明进行辩护。从实际角度看,许多QKD设备存在缺陷,如有限的通信范围和高昂的价格,这促使人们探索非QKD方案。
近年来,研究发现一种使用两对电阻和高斯电压噪声发生器来模拟和增强约翰逊噪声的系统,即基尔霍夫 - 约翰逊噪声(KLJN)安全密钥分配系统,可用于安全密钥分配。该系统基于准静态电动力学的基尔霍夫环路定律和统计物理的涨落 - 耗散定理,具有信息理论安全特性,潜在应用广泛,包括物理不可克隆功能硬件密钥、计算机和硬件的无条件安全以及无条件安全的智能电网等。
2. KLJN系统概述
KLJN系统的核心是一条电线,通信双方“Alice”和“Bob”分别将电阻连接到电线上。这些电阻从集合{R0, R1}中随机选择,R0表示低(0)位,R1表示高(1)位。在每个时钟周期或比特交换周期开始时,Alice和Bob随机选择一个电阻连接到电线。高斯电压噪声发生器模拟电阻的约翰逊噪声或提供带限白噪声。
根据涨落 - 耗散定理,Alice和Bob的电阻产生的增强约翰逊噪声电压会在电线和地之间产生通道噪声电压uc(t),并在电线中产生通道噪声电流ic(t)。在比特交换周期内,Alice和Bob测量通道噪
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