In una prima mondiale, i ricercatori dell'Università di Ottawa in collaborazione con scienziati israeliani sono stati in grado di creare nodi con cornice ottica in laboratorio che potrebbero essere potenzialmente applicati nelle moderne tecnologie. Il loro lavoro apre le porte a nuovi metodi di distribuzione di chiavi crittografiche segrete, utilizzate per crittografare e decrittografare i dati, garantire una comunicazione sicura e proteggere le informazioni private. Il gruppo ha recentemente pubblicato i suoi risultati in Comunicazioni sulla natura .

"Questo è di fondamentale importanza, in particolare da una prospettiva incentrata sulla topologia, poiché i nodi incorniciati forniscono una piattaforma per i calcoli quantistici topologici, " ha spiegato l'autore senior, Professor Ebrahim Karimi, Cattedra di ricerca canadese in luce strutturata presso l'Università di Ottawa.

"Inoltre, abbiamo usato queste strutture ottiche non banali come vettori di informazioni e sviluppato un protocollo di sicurezza per la comunicazione classica in cui le informazioni sono codificate all'interno di questi nodi incorniciati".

Il concetto

I ricercatori suggeriscono una semplice lezione fai-da-te per aiutarci a capire meglio i nodi incorniciati, quegli oggetti tridimensionali che possono anche essere descritti come una superficie.

"Prendi una sottile striscia di carta e prova a fare un nodo, " ha detto il primo autore Hugo Larocque, uOttawa alumnus e attuale dottorato di ricerca. studente al MIT.

"L'oggetto risultante è indicato come un nodo incorniciato e ha caratteristiche matematiche molto interessanti e importanti".

Il gruppo ha cercato di ottenere lo stesso risultato ma all'interno di un fascio ottico, che presenta un livello di difficoltà maggiore. Dopo alcuni tentativi (e nodi che sembravano più corde annodate), il gruppo ha trovato quello che stavano cercando:una struttura a nastro annodato che è la quintessenza dei nodi incorniciati.

"Per aggiungere questo nastro, il nostro gruppo si è affidato a tecniche di modellazione del fascio che manipolano la natura vettoriale della luce, " ha spiegato Hugo Larocque. "Modificando la direzione di oscillazione del campo luminoso lungo un nodo ottico "senza cornice", siamo riusciti ad assegnare a quest'ultimo una cornice "incollando" insieme le linee tracciate da questi campi oscillanti".

Secondo i ricercatori, i fasci di luce strutturata vengono ampiamente sfruttati per la codifica e la distribuzione delle informazioni.

"Finora, queste applicazioni sono state limitate a grandezze fisiche che possono essere riconosciute osservando il raggio in una data posizione, " ha detto uOttawa Postdoctoral Fellow e coautore di questo studio, Dott. Alessio D'Errico.

"Il nostro lavoro mostra che il numero di torsioni nell'orientamento del nastro in combinazione con la fattorizzazione dei numeri primi può essere utilizzato per estrarre una cosiddetta "rappresentazione a treccia" del nodo".

"Le caratteristiche strutturali di questi oggetti possono essere utilizzate per specificare programmi di elaborazione delle informazioni quantistiche, " ha aggiunto Hugo Larocque. "In una situazione in cui questo programma vorrebbe essere tenuto segreto durante la sua diffusione tra le varie parti, sarebbe necessario un mezzo per crittografare questa "treccia" e successivamente decifrarla. Il nostro lavoro affronta questo problema proponendo di utilizzare il nostro nodo con cornice ottica come oggetto di crittografia per questi programmi che possono essere successivamente recuperati con il metodo di estrazione della treccia che abbiamo anche introdotto".

"Per la prima volta, queste complicate strutture 3D sono state sfruttate per sviluppare nuovi metodi per la distribuzione di chiavi crittografiche segrete. Inoltre, c'è un ampio e forte interesse nello sfruttare i concetti topologici nella computazione quantistica, comunicazione e elettronica senza dissipazione. I nodi sono descritti anche da specifiche proprietà topologiche, che non sono stati considerati finora per i protocolli crittografici."

Le origini

L'idea alla base del progetto è nata nel 2018, durante una discussione con ricercatori israeliani a un incontro scientifico a Creta, Grecia.

Scienziati dell'Università Ben-Gurion del Negev e dell'Università Bar-Ilan, in Israele, sviluppato il protocollo di codifica dei numeri primi.

Il progetto ha poi attraversato il Mar Mediterraneo e l'Oceano Atlantico prima di finire nel laboratorio del Dr. Karimi situato nell'Advanced Research Complex dell'Università di Ottawa. È lì che è stata sviluppata e condotta la procedura sperimentale. I dati risultanti sono stati quindi analizzati, e la struttura della treccia estratta tramite un programma appositamente studiato.

Le applicazioni

"Le attuali tecnologie ci danno la possibilità di manipolare, con elevata precisione, le diverse caratteristiche che caratterizzano un fascio di luce, come intensità, fase, lunghezza d'onda e polarizzazione, " ha detto Hugo Larocque. "Questo permette di codificare e decodificare le informazioni con metodi completamente ottici. I protocolli crittografici quantistici e classici sono stati ideati sfruttando questi diversi gradi di libertà".

"Il nostro lavoro apre la strada all'uso di strutture topologiche più complesse nascoste nella propagazione di un raggio laser per la distribuzione di chiavi crittografiche segrete".

"Inoltre, le tecniche sperimentali e teoriche che abbiamo sviluppato possono aiutare a trovare nuovi approcci sperimentali alla computazione quantistica topologica, che promette di superare i problemi legati al rumore nelle attuali tecnologie di calcolo quantistico, " ha aggiunto il dottor Ebrahim Karimi.

Il documento "Nodi con cornice ottica come vettori di informazioni" è stato recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura .