随着越来越多的人使用可连接到互联网的设备，可靠地保护无线通信和交换数据变得日益重要。尽管计算机科学家在过去几十年中设计出了越来越先进的安全措施，但最有效的技术依赖于复杂的算法和密集的计算，这会消耗大量的能源。

图片来源： 期刊《Nature Communications》

据外媒报道，北京大学（Peking University）、东南大学（Southeast University）、圣尼奥大学（University of Sannio）和其他机构的研究人员最近提出了一种有效且节能的通信安全新方法，该方法依赖于一种可重构超表面，其特性受混沌模式调制。相关研究论文发表在期刊《自然通讯（Nature Communications）》。

“这个想法源于一个简单但紧迫的问题：我们能否在不依赖传统加密密钥的情况下确保无线通信的安全？”论文共同资深作者Lianlin Li表示。“大多数现有系统都需要发送方和接收方共享密钥，而密钥必须安全地创建、分发、存储和定期更新。这个过程非常复杂，并且可能引入漏洞，尤其是在快速变化或大规模的网络中。”

作为近期研究的一部分，Li和他的同事尝试从头开始重新思考安全技术。他们不再在信息生成后进行保护，而是尝试设计一种方法，使信号除了预期接收者之外的任何人都无法读取。

“对我们来说，同样重要的是确保可追溯性，”Li说道。“我们希望找到一种无需修改发射器、接收器或通信协议即可集成到现有无线系统中的解决方案。这促使我们探索使用一种名为超表面的特殊材料来实现物理层安全，并将其与混沌理论相结合，混沌理论擅长产生复杂且不可预测的行为。”

事实上，混沌在安全通信中得到了广泛的应用，但通常应用于发送方和接收方需要共享参数（例如混沌系统的初始状态）的系统中，这些参数的作用类似于加密密钥。

因此，大多数先前引入的基于混沌的系统仍然依赖于共享参数和加密密钥。Li和他的同事试图彻底消除这种依赖性，并设计出一种安全且无密钥的通信系统。

“想象一下，你低声说了些什么，只有特定位置才能清晰听到。在其他地方，听起来就像静电噪音，”Li解释说。“我们的系统本质上就是这样做的。”

研究人员创造的新系统依赖于一种薄而精心设计的表面，称为超表面。这种表面本质上充当了无线电信号的可编程反射镜，可以通过一个小芯片进行控制。

“一个小芯片使用基于混沌的逻辑控制这个表面，每次发送信号时都会产生一个独特的图案，”资深作者Vincenzo Galdi表示。“本质上，表面的一部分将信号清晰地发送到一个方向，也就是预定的接收器。其余部分则对其进行扰乱，使其听起来像来自其他方向的噪音。其妙处在于，你不需要修改发射器、接收器或通信协议，也不需要密码或密钥。接收器只需要处于正确的空间位置即可。”

由于超表面产生的模式是由混沌驱动的，因此信息的扰乱极其难以预测。因此，该团队的系统可以提供比传统的伪随机数生成器（使用计算模型模拟随机性）更强大的保护。

“如果伪随机系统的部分算法或输出暴露，它们就会变得可预测，”Galdi说道。“另一方面，混沌根植于现实世界的物理学，这使得逆向工程或拦截变得更加困难。”

这项最新研究最引人注目的成果在于，它证明了无需共享密钥即可确保通信安全。此前提出的基于混沌的安全技术需要发送方和接收方共享参数，而该团队新推出的系统则完全消除了这一需求。

“我们使用常见的无线频率和现成的组件构建并测试了该系统的工作原型，”资深作者Tie Jun Cui说道。“通过仅添加超表面，而发射器和接收器均保持不变，我们证明了位于正确位置的接收器能够以极低的错误率解码消息，而所有其他接收器（即使位置仅相差几度）则主要受到噪声干扰。”

值得注意的是，Li和他的同事开发的新系统也兼容目前支持无线通信的硬件和协议。这意味着它可以轻松应用于实际环境，以增强安全性，同时降低能耗。

这种基于超表面的系统在传统加密计算量过大、速度过慢或风险过高的场景中尤其具有优势。例如，它可能有望用于保护智能传感器、无人机或各种可穿戴设备发送的数据。

“我们目前专注于缩小超表面硬件的尺寸，并研究该系统在更高频率下的表现，例如将用于6G通信的毫米波，”Cui教授说道。“另一个关键目标是使系统具有实时自适应能力，以便即使发射器和接收器移动也能继续安全运行。这将使该技术更适用于动态和移动场景，例如无人机、车辆或可穿戴设备。”

Li教授及其同事的长期目标是将该方法应用于固有安全性设备的设计和开发。此类设备可以显著推进无线通信，更有效地保护敏感数据，而无需计算量巨大的算法。

“安全性不再依赖于密码、加密密钥或复杂的软件协议，而是直接嵌入到信号本身的物理行为中，”Cui教授补充道。“这种转变可能会从根本上改变我们对无线通信中数据保护的看法。”