随着物联网和第六代移动通信技术的快速发展，无线通信对信息安全性的需求日益迫切。利用电磁波前进行加密传输已经成为重要策略，而超表面因其能够调控电磁波，在信息加密领域展现出巨大潜力。超表面可将电磁波的多维特性（幅度、相位、频率、偏振等）作为密钥来编码秘密信息，实现多通道的加密传输。然而，当前超表面加密所利用的电磁维度接近耗尽，信息仍存在被窃听的隐患。例如，传统的超表面视觉秘密共享（Visual Secret Sharing, VSS）方案通常需要将密文图像拆分为至少两幅子图，分别编码在不同通道中，只有在不同子图正确叠加后才能解密还原初始秘密信息。然而这种加密方式一旦任意一个通道被泄露，攻击者便可能通过反复尝试或组合分析就能对其进行破解，从而增加信息泄露的风险。
针对上述问题，我们提出了一种超表面辅助的高安全性加密策略，将混沌加密算法与物理层电磁参数调控相结合，构建出双重保障的密码平台。图1展示了基于混沌算法的超表面高安全加密平台示意图。该策略利用具有独立幅度和相位控制能力的超表面作为信息载体，在多个维度上对密文图像和安全密钥进行协同编码传输。通过将不同的密文图像与安全密钥分别编码至幅度通道和相位通道，系统的信道容量能够成倍提升；同时，借助混沌算法高度不可预测的特性，进一步增强了加密方案的安全性。针对传统超表面加密方案维度有限所带来的信息安全隐患问题，本研究构建了多维调控机制以提升系统密钥的复杂度。图2展示了四通道超表面单元的结构与特性。通过将频率、极化和空间距离等多个电磁维度引入信息编码，并分别在独立的幅度通道和相位通道上承载对应的密文图像与安全密钥，实现频域与空间域的多重加密。每个密钥均绑定特定的电磁参数组合，只有当接收端匹配这些预设参数时才能正确解码相应信息；反之则无法解密，从物理维度上大幅提高了对未授权窃密和暴力破解的防御能力。
图1.基于混沌算法的超表面高安全加密平台示意图
图2.四通道超表面单元的结构与特性
图3展示了基于混沌算法的超表面高安全加密平台的设计流程。本研究在算法设计与通道配置方面，采用混沌算法生成高度不可预测的密钥，并结合多通道超表面硬件平台，实现双重加密机制。混沌加密算法在对原始信息进行加密时同步产生密文图像以及两个独立的混沌密钥。同时，我们将入射波的极化状态引入作为物理层密钥，从而构建出至少四通道的超表面加密平台。图4展示了超表面全息的计算与仿真结果。所设计的四通道超表面在发送端通过两种工作频率和交叉圆极化状态，将密文图像和三个密钥分别编码至幅度和相位通道。图5展示了实验结果与解密过程。接收端只有在获取正确的两个混沌密钥以及匹配的极化态和空间位置等电磁参数的情况下，才能在预定成像平面成功解密出原始秘密信息。反之，任一通道密钥缺失或参数不符都将导致解密失败。这一协同设计提供了双重安全保障，使攻击者即便截获部分密文或密钥也难以通过推算等途径破解系统。综上，该方案大幅提升了通信的安全性并扩展了可用密钥空间。
图3.基于混沌算法的超表面高安全加密平台的设计流程
图4.四通道超表面全息加密的计算结果与仿真结果
图5. 解密过程与实验结果
本研究构建了一个将混沌算法与物理层电磁维度相结合的超表面加密平台。实验结果证明，该平台利用幅度通道和相位通道在多个频率上同时传输密文和密钥信息，实现了多幅秘密信息的安全编码和可靠解密。该方案仅使用两个混沌密钥即可恢复信息，大幅提升了无线通信的安全性和数据容量。这一“双重加密”方法通过物理密钥和算法密钥的协同作用，有效增强了系统对未经授权访问的抵御能力，为高安全通信和大容量存储应用开辟了新路径。
文章链接：
