Gegevens reizen door duizenden kilometers glasvezelkabels onder de oceanen van de wereld - via lichtpulsen. En volgens deskundigen de gegevens in deze kabels lopen een groot risico om te worden onderschept. Echter, een nieuw ontworpen frequentiekam - onlangs ontwikkeld door onderzoekers van de USC Viterbi School of Engineering, zou een effectief hulpmiddel kunnen zijn voor gegevenscodering.

Onderzoekers Andrea M. Armani, Xiaoqin Shen, Rigoberto Castro Beltran, Vinh M. Diep, en Soheil Soltani hebben een nieuwe methode uitgevonden om een ​​frequentiekam te maken - een hulpmiddel dat de potentiële toepassingen van lasers vergroot door een enkele golflengte om te zetten in meerdere golflengten, effectief tientallen tot honderden lasers creëren met een enkele laser. De nieuwe frequentiekam heeft de grootte van een mensenhaar in vergelijking met traditionele frequentiekammen die zo groot kunnen zijn als een koelkast in een appartement. Belangrijker, de nieuw gegenereerde kam vereist 1000x minder kracht om te werken, waardoor mobiele toepassingen mogelijk zijn.

De huidige stand van de techniek is gebaseerd op materiaalsystemen die traditioneel worden gebruikt in de micro-elektronica, zoals silicium. Door deze materialen te vervangen door op koolstof gebaseerde of organische moleculen, het onderzoeksteam onder leiding van postdoctoraal volgde een fundamenteel andere aanpak. Door slechts een enkele laag van een 25-atoom organisch molecuul aan het oppervlak van een laser te hechten, frequentiekammen werden gedemonstreerd met 1000x reductie in vermogen.

Professor Armani, de Ray Irani-leerstoel in Engineering and Material Sciences aan de USC Viterbi School of Engineering, vergelijkt de verandering van conventioneel silicium naar organische materialen als analoog aan de verandering van "gas naar elektrisch". Op het meest basale niveau, het proces waarmee de kam kan worden gegenereerd, is duidelijk verschillend in de twee materiaalklassen.

"Organische optische materialen hebben de elektronica-industrie al getransformeerd, leidend tot lichter, tv's met een lager vermogen en schermen voor mobiele telefoons, maar eerdere pogingen om deze materialen rechtstreeks met lasers te verbinden, liepen op niets uit, " zei Armani, "We hebben de interface-uitdaging opgelost. Omdat onze aanpak kan worden toegepast op een breed scala aan organische materialen en lasertypes, de toekomstige mogelijkheden zijn erg spannend."

Mogelijkheid voor optische codering van gegevens

De eerste toepassingen van frequentiekammen waren gericht op het detecteren van sporen van chemicaliën en nauwkeurige tijdregistratie. Echter, onlangs, er is een nieuwe toepassing van grote betekenis voor de samenleving ontstaan:kwantumcryptografie.

Termen als cyberbeveiliging en kwantumversleuteling waren vroeger de verhaallijnen van actiethrillers en Bond-films, maar met de komst van cryptovaluta en IoT, het bewustzijn van cybersecurity is van het witte doek naar de mainstream verschoven. Hoe kunnen frequentiekammen bijdragen? Het antwoord ligt in hoe gegevens worden verzonden en hoe kwantumcryptografie werkt.

Wanneer een datasignaal naar zijn bestemming reist, het is verpakt als een brief in een gesloten envelop. Net als elk slot, sommige zijn gemakkelijker te kraken dan andere, en de huidige encryptie-inspanningen zijn gericht op het creëren van steeds complexere en dynamischere sloten. Echter, een fundamentele beperking met veel huidige benaderingen is dat het niet mogelijk is om te detecteren wanneer een codering is mislukt.

Quantum-encryptie biedt een alternatieve benadering. Niet alleen kunnen complexere sleutels worden geïmplementeerd, maar inbraken zijn onmiddellijk duidelijk door veranderingen in het verzonden datasignaal.

Hoewel er veel strategieën worden gevolgd om kwantumcryptografie mogelijk te maken, een van de belangrijkste kanshebbers is gebaseerd op een fenomeen dat fotonenverstrengeling wordt genoemd. Verstrengelde fotonenparen moeten op exact hetzelfde moment ontstaan ​​met exact dezelfde eigenschappen. Klinkt onmogelijk? Voer frequentiekammen in.

De eerste stap bij het vormen van de frequentiekam vindt plaats wanneer de primaire laser een secundair paar golflengten genereert. Echter, vanwege energiebesparing, één golflengte moet een hogere energie hebben en één golflengte moet een lagere energie hebben. Aanvullend, de energieën moeten optellen om precies gelijk te zijn aan de primaire laser, en de twee nieuwe golflengten moeten precies op hetzelfde moment verschijnen. Dus, frequentiekamgeneratoren kunnen worden gezien als verstrengelde fotonengeneratoren.

Hoewel het verminderen van de grootte en het vermogen van de frequentiekam de belangrijkste technische hindernissen waren, er zijn nog veel uitdagingen op het gebied van integratie en productie voordat kwantumcryptografie op draagbare platforms gemeengoed wordt.

Armani, een faculteitslid in het nieuwe USC Michelson Center for Convergent Bioscience, gaf aan dat naast de belangrijke rol die kwantumversleuteling zou kunnen spelen bij het beveiligen van onze zorginformatie in de toekomst, frequentiekammen worden ook gebruikt om de detectie van kankerbiomarkers te verbeteren.

De volledige studie "Low threshold parametric oscillation in organically modified microcavities" is beschikbaar in: wetenschappelijke vooruitgang .