基于激光混沌技术的高速序列随机数发生器与通信的应用研究

The high-speed true random number generators (TRNGs) based on the chaotic semiconductor lasers, and their potential applications in the optical chaotic communication systems, are fundamental researches. The high-speed random sequence are widely used in many cross fields, such as communication and information systems, signal and information processing, and in information security. This work refers to semiconductor laser technology, optical chaotic communication and TRNGs. Different from the conventional pseudo random number generators (PRNGs), this work starts from the latest research progress of TRNGs based on the chaotic semiconductor lasers, and investigates the novel techniques for generation of high-speed random sequence, the evaluation for the randomness, as well as the potential applications of the TRNGs. Two typical schemes are considered for generation of random number. Based on the prototype TRNGs, we firstly establish and develop the novel techniques to achieve random number, and then discuss the practicality and the security of TRNGs. Besides, we also study the degradation of the chaotic sequence, and explore the effective schemes to achieve performance-enhanced random numbers. In particular, by introducing the signal processing technology to quantitatively evaluate the practical optical chaotic sequence and quantum key distribution system, we obtain some universal quantifiers. At last, we further explore the potential applications of chaotic semiconductor lasers in the fields of TRNGs, the optical chaotic communication networks with complex topology structure, and even the all optical chaotic communication networks.

基于半导体激光混沌技术的高速序列随机数发生器及其在激光混沌通信的应用研究属于基础研究。高速序列随机数广泛应用于通信与信息系统、信号与信息处理、信息安全等多个交叉领域，选题涉及半导体激光技术、激光混沌通信、真随机数发生器（TRNGs）等，它不同于一般的伪随机发生器（PRNGs），瞄准基于半导体激光混沌TRNGs的最新研究进展，围绕高速比特序列随机数的制备技术、随机性能的评价和应用展开研究。重点研究两类典型的随机数输出方案，通过TRNGs原型系统的研发，建立和发展随机数发生器制备的新方法；探讨TRNGs的实用性和安全性、混沌序列特性退化、产生性能优良随机数的有效方案；引入信号处理技术，定量分析实用化激光混沌序列和量子密钥分配系统，获得具有普适性的评价模型。在此基础上，深入研究半导体激光混沌技术在TRNGs、复杂链路拓扑结构的激光混沌通信网络，直至未来全光激光混沌保密通信的潜在应用等科学问题。

高速随机数广泛应用于信息的存储、发射、接收和处理过程，涉及通信与信息系统、信息安全、计算机理论科学等学科。作为一种泛在的物理资源，高速随机数已渗透到新一代信息技术的各个交叉应用领域。近年来，基于半导体激光器混沌技术的高速随机数作为一种新型的物理随机数制备方案受到了广泛关注。由于激光混沌技术本身复杂的动力学特性，该方案有着天然的物理安全属性，属于基础研究范畴。本课题从半导体激光混沌技术着手，围绕随机数发生器的实验制备、性能评价和实际应用，基于集群同步特性的复杂拓扑结构中的非相干介导远程同步，以及未来全光激光混沌通信保密系统的潜在应用等基本科学问题展开研究。在此基础上，探讨了基于激光混沌保密通信系统的安全性，并对高速比特序列随机数发生器的原型制备以及激光混沌高速比特序列随机数发生器性能指标的表征特性等复杂问题进行了深入研究。.主要研究成果包括：从基本的半导体激光混沌系统出发，通过实验证明利用混沌光注入系统以及非线性光电振荡器产生混沌随机数的可行性，利用数据后处理手段获得了160 Gbit/s的物理随机数序列和1.68 Tbit/s的伪随机数序列，建立和发展了高速比特序列随机数发生器制备的新方法。首次引入样本熵作为新型的复杂度量化工具，研究了外腔光反馈半导体激光器输出混沌信号的复杂度特性，实现了对混沌信号以及随机数发生器性能指标的定量检测，建立随机数量化分析和评价模型；基于对激光混沌序列实用性及安全性的研究，首次系统分析了外腔半导体激光器混沌输出序列的统特性，实验研究了外腔半导体激光器混沌输出排列熵的演变情况, 通过改变可控参数实现了具备理想信息熵的随机序列发生器。研究复杂链路拓扑结构的半导体激光混沌通信网络，通过引入额外注入维度有效实现了多节点激光混沌系统的时延信息隐藏及信号带宽增强，有效提高了激光混沌保密通信系统的安全性；在此基础上，通过改变网络拓扑以及进一步分析线宽增强因子的影响，获得同时实现时延隐藏与复杂度增强的参数空间，优化了激光混沌光源；首次系统分析了外腔半导体激光器混沌信号复杂度与单向耦合系统同步质量的关系；在完成既定研究目标的同时，基于网络集群同步，利用网络拓扑结构中的对称特性，实现了非相干介导远程同步，进一步提高了混沌通信系统稳定性及安全性；本课题的研究成果在高速随机数物理熵源制备以及全光半导体激光混沌通信等领域有着重要的应用前景。