Wetenschap
Onderzoek brengt technologieën aan het licht die energie-efficiënte informatieverwerking en geavanceerde gegevensbeveiliging kunnen onthullen
Geavanceerde informatieverwerkingstechnologieën bieden groenere telecommunicatie en krachtige gegevensbeveiliging voor miljoenen mensen, zo blijkt uit een onderzoek onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Maryland (UMD).
Een nieuw apparaat dat informatie kan verwerken met behulp van een kleine hoeveelheid licht, zou energiezuinige en veilige communicatie mogelijk kunnen maken. Het werk onder leiding van You Zhou, een assistent-professor bij de UMD's Department of Materials Science and Engineering (MSE), in samenwerking met onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), werd vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics .
Optische schakelaars, de apparaten die verantwoordelijk zijn voor het verzenden van informatie via telefoonsignalen, vertrouwen op licht als transmissiemedium en op elektriciteit als verwerkingsinstrument, waardoor een extra hoeveelheid energie nodig is om de gegevens te interpreteren. Een nieuw alternatief ontwikkeld door Zhou gebruikt alleen licht om een volledige transmissie mogelijk te maken, wat de snelheid en energie-efficiëntie voor telecommunicatie- en computerplatforms zou kunnen verbeteren.
Vroege tests van deze technologie hebben aanzienlijke energieverbeteringen aangetoond. Terwijl conventionele optische schakelaars tussen de 10 en 100 femtojoule nodig hebben om communicatietransmissie mogelijk te maken, verbruikt het apparaat van Zhou honderd keer minder energie, wat slechts een tiende tot één femtojoule is. Het bouwen van een prototype dat informatieverwerking mogelijk maakt met behulp van kleine hoeveelheden licht, via de eigenschap van een materiaal dat bekend staat als 'niet-lineaire respons', maakte de weg vrij voor nieuwe mogelijkheden in zijn onderzoeksgroep.
"Het bereiken van sterke niet-lineariteit was onverwacht, wat een nieuwe richting opende die we nog niet eerder verkenden:kwantumcommunicatie", aldus Zhou.
Om het apparaat te bouwen gebruikte Zhou de Quantum Material Press (QPress) van het Center for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Brookhaven Lab die gratis toegang biedt tot apparatuur van wereldklasse voor wetenschappers die open onderzoek uitvoeren. De QPress is een geautomatiseerd hulpmiddel voor het synthetiseren van kwantummaterialen met lagen zo dun als een enkel atoom.
"We werken al een aantal jaren samen met de groep van Zhou. Zij zijn een van de eerste gebruikers van onze QPress-modules, waaronder een exfoliator, cataloger en stapelaar", zegt co-auteur Suji Park, stafwetenschapper bij de Electronic Nanomaterials Group. bij CFN.
"We hebben specifiek geëxfolieerde vlokken van hoge kwaliteit geleverd, afgestemd op hun verzoeken, en we hebben nauw samengewerkt om de exfoliërende omstandigheden voor hun materialen te optimaliseren. Deze samenwerking heeft het fabricageproces van hun monsters aanzienlijk verbeterd."
Vervolgens wil het onderzoeksteam van Zhou de energie-efficiëntie verhogen tot de kleinste hoeveelheid elektromagnetische energie, een belangrijke uitdaging bij het mogelijk maken van de zogenaamde kwantumcommunicatie, die een veelbelovend alternatief biedt voor gegevensbeveiliging.
In de nasleep van de toenemende cyberaanvallen is de wetenschappelijke belangstelling toegenomen voor het bouwen van geavanceerde bescherming tegen hackers. Gegevens die via conventionele communicatiekanalen worden verzonden, kunnen worden gelezen en gekopieerd zonder een spoor achter te laten, wat volgens een recent Statista-rapport vorig jaar duizenden inbreuken heeft gekost voor 350 miljoen gebruikers.
Kwantumcommunicatie daarentegen biedt een veelbelovend alternatief omdat ze de informatie coderen met behulp van licht, dat niet kan worden onderschept zonder de kwantumtoestand ervan te veranderen. Zhou's methode om de niet-lineariteit van materialen te verbeteren is een stap dichter bij het mogelijk maken van deze technologieën.