Ovanifrån av de inramade knutarna som genereras i detta arbete. Kredit:University of Ottawa
I en världsnyhet, forskare från University of Ottawa i samarbete med israeliska forskare har kunnat skapa optiska inramade knutar i laboratoriet som potentiellt skulle kunna tillämpas i modern teknik. Deras arbete öppnar dörren till nya metoder för att distribuera hemliga kryptografiska nycklar – som används för att kryptera och dekryptera data, säkerställa säker kommunikation och skydda privat information. Gruppen publicerade nyligen sina resultat i Naturkommunikation .
"Detta är fundamentalt viktigt, särskilt ur ett topologifokuserat perspektiv, eftersom inramade knutar ger en plattform för topologiska kvantberäkningar, " förklarade senior författare, Professor Ebrahim Karimi, Canada Research Chair in Structured Light vid University of Ottawa.
"Dessutom, vi använde dessa icke-triviala optiska strukturer som informationsbärare och utvecklade ett säkerhetsprotokoll för klassisk kommunikation där information kodas inom dessa inramade knutar."
Konceptet
Forskarna föreslår en enkel gör-det-själv-lektion för att hjälpa oss att bättre förstå inramade knutar, de tredimensionella objekten som också kan beskrivas som en yta.
"Ta en smal remsa av ett papper och försök göra en knut, " sa första författaren Hugo Larocque, uOttawa alumn och nuvarande Ph.D. student vid MIT.
"Det resulterande föremålet kallas en inramad knut och har mycket intressanta och viktiga matematiska egenskaper."
Gruppen försökte uppnå samma resultat men inom en optisk stråle, vilket ger en högre svårighetsgrad. Efter några försök (och knutar som mer såg ut som knutna snören), gruppen kom på vad de letade efter:en knuten bandstruktur som är avgörande för inramade knutar.
Krypteringsschema för en inramad fläta i en inramad knut. Knuten tillsammans med ett par siffror kan användas för att återställa den krypterade flätan med hjälp av en procedur som förlitar sig på primtalsfaktorisering. Kredit:University of Ottawa
"För att lägga till det här bandet, vår grupp förlitade sig på strålformningstekniker som manipulerade ljusets vektoriella natur, " förklarade Hugo Larocque. "Genom att modifiera svängningsriktningen för ljusfältet längs en "oinramad" optisk knut, vi kunde tilldela en ram till den senare genom att "limma" ihop linjerna som spåras ut av dessa oscillerande fält."
Enligt forskarna, strukturerade ljusstrålar utnyttjas i stor utsträckning för att koda och distribuera information.
"Än så länge, dessa tillämpningar har begränsats till fysiska storheter som kan kännas igen genom att observera strålen vid en given position, " sa uOttawa postdoktor och medförfattare till denna studie, Dr Alessio D'Errico.
"Vårt arbete visar att antalet vridningar i bandorienteringen i samband med primtalsfaktorisering kan användas för att extrahera en så kallad "flätrepresentation" av knuten."
"De strukturella egenskaperna hos dessa objekt kan användas för att specificera kvantinformationsbearbetningsprogram, ", tillade Hugo Larocque. "I en situation där detta program skulle vilja hållas hemligt samtidigt som det sprids mellan olika parter, man skulle behöva ett sätt att kryptera denna "fläta" och senare dechiffrera den. Vårt arbete tar itu med det här problemet genom att föreslå att vi använder vår optiska inramade knut som ett krypteringsobjekt för dessa program som senare kan återställas med flätextraktionsmetoden som vi också introducerade."
"För första gången, dessa komplicerade 3D-strukturer har utnyttjats för att utveckla nya metoder för distribution av hemliga kryptografiska nycklar. Dessutom, det finns ett brett och starkt intresse för att utnyttja topologiska koncept inom kvantberäkning, kommunikation och avledningsfri elektronik. Knutar beskrivs också av specifika topologiska egenskaper, som hittills inte övervägdes för kryptografiska protokoll."
Återgivning av den rekonstruerade strukturen av en inramad trefoil-knut genererad inom en optisk stråle. Kredit:University of Ottawa
Ursprungen
Idén bakom projektet uppstod 2018, under en diskussion med israeliska forskare vid ett vetenskapligt möte på Kreta, Grekland.
Forskare från Ben-Gurion University of the Negev och Bar-Ilan University, i Israel, utvecklat primtalskodningsprotokollet.
Projektet korsade sedan Medelhavet och Atlanten innan det hamnade i Dr Karimis labb beläget i Advanced Research Complex vid University of Ottawa. Det var där den experimentella proceduren utvecklades och genomfördes. Resultaten analyserades sedan, och flätstrukturen extraherad genom ett speciellt utarbetat program.
Ansökningarna
"Nuvarande teknologier ger oss möjlighet att manipulera, med hög noggrannhet, de olika egenskaperna som kännetecknar en ljusstråle, som intensitet, fas, våglängd och polarisation, ", sa Hugo Larocque. "Detta gör det möjligt att koda och avkoda information med helt optiska metoder. Kvantprotokoll och klassiska kryptografiska protokoll har tagits fram som utnyttjar dessa olika frihetsgrader."
"Vårt arbete öppnar vägen för användningen av mer komplexa topologiska strukturer gömda i spridningen av en laserstråle för att distribuera hemliga kryptografiska nycklar."
"Dessutom, de experimentella och teoretiska teknikerna vi utvecklat kan hjälpa till att hitta nya experimentella metoder för topologisk kvantberäkning, som lovar att överträffa brusrelaterade problem i nuvarande kvantberäkningstekniker, " tillade Dr. Ebrahim Karimi.
Tidningen "Optical framed knots as information carriers" publicerades nyligen i Naturkommunikation .
