In een wereldprimeur, onderzoekers van de Universiteit van Ottawa hebben in samenwerking met Israëlische wetenschappers optische omlijste knopen kunnen maken in het laboratorium die mogelijk kunnen worden toegepast in moderne technologieën. Hun werk opent de deur naar nieuwe methoden voor het distribueren van geheime cryptografische sleutels - die worden gebruikt om gegevens te versleutelen en te ontsleutelen, zorgen voor veilige communicatie en bescherming van persoonlijke informatie. De groep publiceerde onlangs hun bevindingen in Natuurcommunicatie .

“Dit is van fundamenteel belang, in het bijzonder vanuit een topologiegericht perspectief, omdat ingelijste knopen een platform bieden voor topologische kwantumberekeningen, " verklaarde senior auteur, Professor Ebrahim Karimi, Canada Research Chair in Structured Light aan de Universiteit van Ottawa.

"In aanvulling, we gebruikten deze niet-triviale optische structuren als informatiedragers en ontwikkelden een beveiligingsprotocol voor klassieke communicatie waarbij informatie wordt gecodeerd binnen deze omlijste knopen."

Het concept

De onderzoekers stellen een eenvoudige doe-het-zelf-les voor om ons te helpen ingelijste knopen beter te begrijpen, die driedimensionale objecten die ook als een oppervlak kunnen worden beschreven.

"Neem een ​​smalle strook papier en probeer een knoop te maken, " zei eerste auteur Hugo Larocque, uOttawa alumnus en huidige Ph.D. student aan het MIT.

"Het resulterende object wordt een ingelijste knoop genoemd en heeft zeer interessante en belangrijke wiskundige kenmerken."

De groep probeerde hetzelfde resultaat te bereiken, maar binnen een optische straal, die een hogere moeilijkheidsgraad biedt. Na een paar pogingen (en knopen die meer op geknoopte snaren leken), de groep bedacht wat ze zochten:een geknoopte lintstructuur die typisch is voor ingelijste knopen.

"Om dit lint toe te voegen, onze groep vertrouwde op bundelvormende technieken die de vectoriële aard van licht manipuleren, " legde Hugo Larocque uit. "Door de oscillatierichting van het lichtveld langs een "niet-ingelijste" optische knoop te wijzigen, we waren in staat om aan de laatste een frame toe te kennen door de lijnen die door deze oscillerende velden worden getekend, aan elkaar te "lijmen".

Volgens de onderzoekers is gestructureerde lichtstralen worden op grote schaal gebruikt voor het coderen en verspreiden van informatie.

"Tot dusver, deze toepassingen zijn beperkt tot fysieke grootheden die kunnen worden herkend door de straal op een bepaalde positie te observeren, " zei uOttawa Postdoctoral Fellow en co-auteur van deze studie, Dr. Alessio D'Errico.

"Ons werk laat zien dat het aantal wendingen in de lintoriëntatie in combinatie met priemgetalfactorisatie kan worden gebruikt om een ​​zogenaamde 'vlechtrepresentatie' van de knoop te extraheren."

"De structurele kenmerken van deze objecten kunnen worden gebruikt om kwantuminformatieverwerkingsprogramma's te specificeren, "voegde Hugo Larocque toe. "In een situatie waarin dit programma geheim zou willen worden gehouden terwijl het tussen verschillende partijen zou worden verspreid, men zou een middel nodig hebben om deze "vlecht" te coderen en later te ontcijferen. Ons werk lost dit probleem op door voor te stellen om onze optische omlijste knoop te gebruiken als een versleutelingsobject voor deze programma's, die later kunnen worden hersteld door de vlechtextractiemethode die we ook hebben geïntroduceerd."

"Voor de eerste keer, deze gecompliceerde 3D-structuren zijn gebruikt om nieuwe methoden te ontwikkelen voor de distributie van geheime cryptografische sleutels. Bovendien, er is een brede en sterke interesse in het exploiteren van topologische concepten in kwantumberekening, communicatie- en dissipatievrije elektronica. Knopen worden ook beschreven door specifieke topologische eigenschappen, die tot nu toe niet werden overwogen voor cryptografische protocollen."

De oorsprong

Het idee achter het project ontstond in 2018, tijdens een discussie met Israëlische onderzoekers op een wetenschappelijke bijeenkomst op Kreta, Griekenland.

Wetenschappers van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev en de Bar-Ilan Universiteit, in Israël, ontwikkelde het priemgetalcoderingsprotocol.

Het project stak vervolgens de Middellandse Zee en de Atlantische Oceaan over voordat het eindigde in het laboratorium van Dr. Karimi in het Advanced Research Complex aan de Universiteit van Ottawa. Daar werd de experimentele procedure ontwikkeld en uitgevoerd. De resulterende gegevens werden vervolgens geanalyseerd, en de vlechtstructuur geëxtraheerd via een speciaal ontworpen programma.

de toepassingen

"De huidige technologieën geven ons de mogelijkheid om te manipuleren, met hoge nauwkeurigheid, de verschillende kenmerken die een lichtstraal kenmerken, zoals intensiteit, fase, golflengte en polarisatie, "zei Hugo Larocque. "Dit maakt het mogelijk om informatie te coderen en decoderen met volledig optische methoden. Er zijn kwantum- en klassieke cryptografische protocollen ontwikkeld die gebruikmaken van deze verschillende vrijheidsgraden."

"Ons werk opent de weg naar het gebruik van complexere topologische structuren die verborgen zijn in de voortplanting van een laserstraal voor het verspreiden van geheime cryptografische sleutels."

"Bovendien, de experimentele en theoretische technieken die we hebben ontwikkeld, kunnen helpen bij het vinden van nieuwe experimentele benaderingen voor topologische kwantumberekening, die belooft ruisgerelateerde problemen in de huidige kwantumcomputertechnologieën te overtreffen, " voegde Dr. Ebrahim Karimi eraan toe.

Het paper "Optisch omlijste knopen als informatiedragers" verscheen onlangs in Natuurcommunicatie .