Onderzoekers van de COPS-groep (Complex Photonic Systems) gebruikten twee lagen willekeurige materialen om een bericht dat via lichtcommunicatie werd verzonden te versleutelen en daarna weer te ontcijferen. Daarmee verborgen ze tegelijkertijd de verzender en de ontvanger. Pas als het licht door beide lagen gaat wordt het bericht ontvangen. Het onderzoeksteam publiceerde hun bevindingen in het tijdschrift Optics Express en gelooft dat dit mogelijke toepassingen heeft in zichtbaar licht communicatiesystemen, light fidelity (LiFi) en communicatie via glasvezel.
Digitale informatie is essentieel voor de onderling verbonden wereld waarin we leven. De beveiliging ervan is van het grootste belang. Met encryptie beschermen we onze gegevens, door een eenvoudig bericht om te zetten in een complex patroon en het vervolgens weer om te zetten, waardoor het onleesbaar wordt als het bericht halverwege wordt onderschept. Nu de technologie zich in een ongekend tempo ontwikkelt, ligt de toekomst van communicatie in het domein van zichtbaar licht. Maar hoe kunnen we de veiligheid van deze geavanceerde vorm van communicatie garanderen?
Willekeurige objecten
Verrassend genoeg kan de oplossing worden gevonden in alledaagse voorwerpen om ons heen. Onderzoekers van de Universiteit Twente toonden aan dat willekeurige materialen - zoals een laag verf of een stuk papier - de geheimhouding van lichtcommunicatie vergroten door de boodschap te vervormen. Dat deden ze in samenwerking met experts van de Technische Universiteit Eindhoven en het innovatieve bedrijf Signify (voorheen bekend alsPhilips Lighting). Wanneer licht door deze willekeurige materialen valt, verspreidt het zich in meerdere richtingen, waardoor een ingewikkeld patroon ontstaat dat bekend staat als een spikkelpatroon. Dit patroon vormt de basis voor versleuteling.
Deze versleuteling volgt het principe van de physical unclonable function (PUF). Een PUF is een object dat zo complex is dat het niet te kopiëren is met de huidige technologieën. Met een PUF als versleutelingssleutel, kan je alleen met dezelfde sleutel - die niet kan worden gekloond - toegang krijgen tot de informatie. In dit geval is de sleutel het willekeurige object en de informatie het spikkelpatroon.
Figuur 1: Schema van het schema. Alice stuurt een bericht naar Bob terwijl Eve het bericht probeert te achterhalen. In dit schema wordt het originele bericht alleen opgehaald nadat het door beide PUF's is gegaan, wat betekent dat Eve het bericht niet kan krijgen.
Twee lagen
Onderzoekers van de COPS-groep (Complex Photonic Systems) gingen nog een stap verder. In plaats van een enkele sleutel te gebruiken om het bericht te versleutelen, gebruikten ze twee lagen willekeurige media als dubbele sleutels. Daarmee verbergen ze tegelijkertijd de verzender en de ontvanger en alleen als het licht door beide sleutels gaat, wordt het bericht ontvangen. Elke kwaadwillende afluisteraar die het bericht onderweg probeert te onderscheppen, wordt geconfronteerd met een betekenisloze mix van willekeurige patronen die totaal geen verband houden met het oorspronkelijke bericht.
Bovendien wordt de geheimhouding versterkt door de overtol van het systeem. Het voorgestelde systeem is gebaseerd op het variëren van het invallende licht met behulp van een apparaat dat lijkt op een schermprojector (of beamer) bij de verzender. Omdat de willekeurige materialen zo complex zijn, zijn er duizenden verschillende manieren om het licht te variëren, allemaal resulterend in hetzelfde bericht, terwijl het willekeurige patroon tussen de twee sleutels verandert. Als de zender constant wisselt tussen de verschillende variaties, wordt een aanvaller in het midden overspoeld met willekeurige patronen, terwijl de ontvanger er geen last van heeft.
Figuur 2. Verdeling van 50.000 willekeurige patronen bij de ontvanger (Bob). Met deze verdeling zijn Alice en Bob het eens over welke patronen een binaire 0 of een binaire 1 zijn. Bob hoeft alleen de plekken A en B te meten om het bericht te ontvangen.
Het artikel 'Enhanced secrecy in optical communication using speckle from multiple scattering layers' van Alfredo Rates, Joris Vrehen, Bert Mulder, Wilbert L. Ijzerman en Willem L. Vos verschijnt in Optics Express. Vos, verschijnt in Optics Express. COPS kondigt ook met trots aan dat de gegevens die zijn gebruikt voor de publicatie beschikbaar zijn in de Zenodo database met DOI: 10.5281/zenodo.6397330. De onderzoekers bedanken het NWO-programma Free-Form Scattering Optics, het MESA+ instituut en alle collega's van de COPS-leerstoel.
DOI: 10.1364/OE.493479
