I dati viaggiano attraverso migliaia di chilometri di cavi in ​​fibra ottica sotto gli oceani del mondo, tramite impulsi di luce. E secondo gli esperti, i dati in questi cavi sono a forte rischio di essere intercettati. Però, un pettine di frequenza di nuova concezione, sviluppato di recente dai ricercatori della USC Viterbi School of Engineering potrebbe essere uno strumento efficace per la crittografia dei dati.

Ricercatori Andrea M. Armani, Xiaoqin Shen, Rigoberto Castro Beltran, Vinh M. Diep, e Soheil Soltani hanno inventato un nuovo metodo per creare un pettine di frequenza, uno strumento che aumenta le potenziali applicazioni dei laser convertendo una singola lunghezza d'onda in più lunghezze d'onda, creando efficacemente da decine a centinaia di laser da un singolo laser. Il nuovo pettine a frequenza ha le dimensioni di un capello umano rispetto ai tradizionali pettini a frequenza che possono essere grandi quanto un frigorifero da appartamento. Ma ancora più importante, il pettine appena generato richiede 1000 volte meno energia per funzionare, consentendo applicazioni mobili.

L'attuale stato dell'arte si basa su sistemi di materiali tradizionalmente utilizzati nella microelettronica, come il silicio. Sostituendo questi materiali con molecole a base di carbonio o organiche, il gruppo di ricerca guidato da post-dottorato ha perseguito un approccio fondamentalmente diverso. Attaccando solo un singolo strato di una molecola organica da 25 atomi alla superficie di un laser, pettini di frequenza sono stati dimostrati con una riduzione di potenza di 1000 volte.

Professore Armani, la Cattedra Ray Irani in Ingegneria e Scienze dei Materiali presso la USC Viterbi School of Engineering, paragona il passaggio dal silicio convenzionale ai materiali organici come analogo al passaggio dal "gas all'elettricità". Al livello più elementare, il processo che consente di generare il pettine è nettamente diverso nelle due classi di materiale.

"I materiali ottici organici hanno già trasformato l'industria elettronica, portando ad un più leggero, televisori a basso consumo e display per cellulari, ma i precedenti tentativi di interfacciare direttamente questi materiali con i laser sono inciampati, " ha detto Armani, "Abbiamo risolto la sfida dell'interfaccia. Poiché il nostro approccio può essere applicato a un'ampia gamma di materiali organici e tipi di laser, le possibilità future sono molto eccitanti."

Opportunità per la crittografia ottica dei dati

Le prime applicazioni dei pettini di frequenza si sono concentrate sulla rilevazione di tracce di sostanze chimiche e sul cronometraggio ad alta precisione. Però, recentemente, è emersa una nuova applicazione di grande importanza per la società:la crittografia quantistica.

Termini come sicurezza informatica e crittografia quantistica erano le trame dei thriller d'azione e dei film di Bond, ma con l'avvento delle criptovalute e dell'IoT, la consapevolezza della sicurezza informatica è passata dal grande schermo al mainstream. Come possono contribuire i pettini di frequenza? La risposta sta nel modo in cui i dati vengono trasmessi e come funziona la crittografia quantistica.

Quando un segnale dati sta viaggiando verso la sua destinazione, è confezionato come una lettera in una busta chiusa a chiave. Proprio come qualsiasi serratura, alcuni sono più facili da decifrare di altri, e gli attuali sforzi di crittografia si sono concentrati sulla creazione di blocchi sempre più complessi e dinamici. Però, una limitazione fondamentale con molti approcci attuali è che non è possibile rilevare quando una crittografia ha fallito.

La crittografia quantistica presenta un approccio alternativo. Non solo è possibile implementare chiavi più complesse, ma le intrusioni sono immediatamente evidenti attraverso cambiamenti nel segnale dati trasmesso.

Mentre vengono perseguite molte strategie per abilitare la crittografia quantistica, uno dei principali contendenti si basa su un fenomeno chiamato entanglement di fotoni. Le coppie entangled di fotoni devono essere create esattamente nello stesso momento con esattamente le stesse proprietà. Suona impossibile? Inserisci i pettini di frequenza.

Il primo passo nella formazione del pettine di frequenza si verifica quando il laser primario genera una coppia secondaria di lunghezze d'onda. Però, a causa del risparmio energetico, una lunghezza d'onda deve avere un'energia maggiore e una lunghezza d'onda deve avere un'energia inferiore. Inoltre, la somma delle energie deve essere esattamente uguale al laser primario, e le due nuove lunghezze d'onda devono apparire esattamente nello stesso momento. Così, i generatori di pettini di frequenza possono essere visti come generatori di fotoni entangled.

Sebbene la riduzione delle dimensioni e dei requisiti di alimentazione del pettine di frequenza fossero ostacoli tecnici chiave, ci sono molte sfide di integrazione e produzione che rimangono prima che la crittografia quantistica su piattaforme portatili diventi un luogo comune.

Armani, un membro di facoltà nel nuovo USC Michelson Center for Convergent Bioscience, ha indicato che oltre al ruolo importante che la crittografia quantistica potrebbe svolgere nel proteggere le nostre informazioni sanitarie in futuro, pettini di frequenza vengono utilizzati anche per migliorare la rilevazione dei biomarcatori del cancro.

Lo studio completo "Oscillazione parametrica a soglia bassa in microcavità organicamente modificate" è disponibile in Progressi scientifici .