Data färdas genom tusentals miles av fiberoptiska kablar under världshaven – via ljuspulser. Och enligt experter, data i dessa kablar löper stor risk att fångas upp. Dock, en nydesignad frekvenskam – nyligen utvecklad av forskare vid USC Viterbi School of Engineering kan vara ett effektivt verktyg för datakryptering.

Forskarna Andrea M. Armani, Xiaoqin Shen, Rigoberto Castro Beltran, Vinh M. Diep, och Soheil Soltani har uppfunnit en ny metod för att skapa en frekvenskam – ett verktyg som ökar de potentiella tillämpningarna av lasrar genom att omvandla en enda våglängd till flera våglängder, skapar effektivt tiotals till hundratals lasrar från en enda laser. Den nya frekvenskammen är storleken på ett människohår jämfört med traditionella frekvenskammar som kan vara lika stora som ett lägenhetskylskåp. Mer viktigt, den nygenererade kammen kräver 1000 gånger mindre ström för att fungera, möjliggör mobila applikationer.

Den nuvarande teknikens ståndpunkt är beroende av materialsystem som traditionellt används inom mikroelektronik, såsom kisel. Genom att ersätta dessa material med kolbaserade eller organiska molekyler, forskargruppen under ledning av post-doktorer följde ett fundamentalt annorlunda tillvägagångssätt. Att bara fästa ett enda lager av en 25-atoms organisk molekyl på ytan av en laser, frekvenskammar demonstrerades med 1000x effektminskning.

Professor Armani, Ray Irani-stolen i teknik och materialvetenskap vid USC Viterbi School of Engineering, liknar förändringen från konventionellt kisel till organiska material som analogt med förändringen av "gas till elektrisk". På den mest grundläggande nivån, processen som gör att kammen kan genereras är tydligt olika i de två materialklasserna.

"Ekologiska optiska material har redan förändrat elektronikindustrin, leder till lättare, TV-apparater med lägre effekt och mobiltelefonskärmar, men tidigare försök att direkt sammankoppla dessa material med lasrar snubblade, sade Armani, "Vi löste gränssnittsutmaningen. Eftersom vårt tillvägagångssätt kan tillämpas på ett brett utbud av organiska material och lasertyper, de framtida möjligheterna är mycket spännande."

Möjlighet till optisk kryptering av data

De första tillämpningarna av frekvenskammar fokuserade på att upptäcka spårmängder av kemikalier och högprecisionstid. Dock, nyligen, en ny tillämpning av stor betydelse för samhället har dykt upp:kvantkryptografi.

Termer som cybersäkerhet och kvantkryptering brukade vara handlingslinjerna för actionthrillers och Bond-filmer, men med tillkomsten av kryptovalutor och IoT, medvetenheten om cybersäkerhet har flyttats från skärmen till mainstream. Hur kan frekvenskammar bidra? Svaret ligger i hur data överförs och hur kvantkryptografi fungerar.

När en datasignal färdas till sin destination, det är förpackat som ett brev i ett låst kuvert. Precis som vilket lås som helst, vissa är lättare att knäcka än andra, och nuvarande krypteringsinsatser har fokuserat på att skapa allt mer komplexa och dynamiska lås. Dock, en grundläggande begränsning med många nuvarande tillvägagångssätt är att det inte är möjligt att upptäcka när en kryptering har misslyckats.

Kvantkryptering presenterar ett alternativt tillvägagångssätt. Inte bara kan mer komplexa nycklar implementeras, men intrång är omedelbart uppenbara genom förändringar i den överförda datasignalen.

Medan många strategier eftersträvas för att möjliggöra kvantkryptografi, en av de ledande utmanarna är baserad på ett fenomen som kallas fotonförtrassling. Intrasslade par av fotoner måste skapas vid exakt samma tidpunkt med exakt samma egenskaper. Låter det omöjligt? Ange frekvenskammar.

Det första steget i att bilda frekvenskammen inträffar när den primära lasern genererar ett sekundärt våglängdspar. Dock, på grund av energibesparing, en våglängd måste ha högre energi och en våglängd måste ha lägre energi. Dessutom, energierna måste summeras för att vara exakt lika med den primära lasern, och de två nya våglängderna måste dyka upp exakt samtidigt. Således, frekvenskamgeneratorer kan ses som intrasslade fotongeneratorer.

Samtidigt som minskningen av storleken och kraftkraven för frekvenskammen var viktiga tekniska hinder, det finns många integrations- och tillverkningsutmaningar kvar innan kvantkryptografi på bärbara plattformar kommer att bli vardag.

Armani, en fakultetsmedlem i det nya USC Michelson Center for Convergent Bioscience, indikerade att utöver den viktiga roll som kvantkryptering kan spela för att säkra vår sjukvårdsinformation i framtiden, frekvenskammar används också för att förbättra upptäckten av cancerbiomarkörer.

Hela studien "Lågtröskelparametrisk oscillation i organiskt modifierade mikrohålrum" finns tillgänglig i Vetenskapens framsteg .