浅析新型光脉冲数据加密技术 | 夏冰加密软件技术博客
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浅析新型光脉冲数据加密技术

数据通过光脉冲在世界海洋下数千英里长的光纤电缆上实现传输。根据专家们的说法,这些电缆中的数据被截获的风险很大。然而,新近由美国南加州大学维特比工程学院的研究人员开发的频率梳可能是一种有效的数据加密工具。

浅析新型光脉冲数据加密技术

上图所示,是一个有机分子增强频率梳。一个单一的输入激光(左)进入球频率梳发生器包括一层有机分子(4-苯乙烯基)。在球内光的轨迹在几个纳秒内约有10000个,轨迹与分子会相互作用,并产生频率梳。

研究人员Andrea M. Armani,Xiaoqin Shen,Rigoberto Castro Beltran,Vinh M. Diep和Soheil Soltani发明了一种新型的频率梳工具,提高激光器的潜在的应用,可以实现转换多个波长到单波长的新方法,有效地创建几十到几百的激光从一个单一的激光。新的频率梳与传统的频率梳相比,就像一个是公寓的冰箱一样大,另一个是一个人类头发的大小。更重要的是,新生成1000多种频率梳只需要较少的功率运行,并能实现移动应用。

目前实现频率梳的技术主要依赖于传统的微电子材料系统,如硅。通过用碳或有机分子取代这些材料,博士后领导的研究小组采用了完全不同的方法。只需要一个单一层的25原子的有机分子的表面激光频率梳和少于1000倍的电力需求。

Armani教授是南加州大学维特比工程学院工程与材料科学的Ray Irani席教授,实现了传统的硅有机材料转变为类似于“气电的变化”过程的物质。“在最基本的层面上,这一过程使频率梳的实现是在两类明显不同的材料中实现的。”

“有机光学材料已经改变了电子工业,可以实现更轻、低功耗的电视和手机显示器,但以前尝试直接接触这些材料时的一些激光相关研究跌跌撞撞,”Armani说,“我们解决了界面的挑战。因为我们的方法可以应用到广泛的有机材料和激光类型,未来的可能性是非常令人兴奋的。”

光学数据的加密技术

频率梳的首次应用主要集中在检测微量化学品和高精度时间保持。然而,最近出现了一个对社会有重大意义的新应用:量子密码术。

像以前是动作惊险片和邦德电影情节的网络安全和量子加密,但加密货币和物联网时代的到来,网络安全的意识已经从银幕搬到了主流。频率梳如何有助于数据加密呢?答案在于数据是如何传输的,量子密码是如何工作的。

当数据信号到达目的地时,它被封装成一个信封中的一个字母。与其他锁一样,有些锁比其他锁更容易破解,而当前的加密工作则集中在创建越来越复杂和动态的锁。然而,当前许多方法的一个基本限制是,不可能检测加密时何时失败的。

量子加密提供了另一种方法。不仅可以实现更复杂的密钥,而且通过传输数据信号的变化,任何的密码入侵立即被发现。

虽然正在进行许多策略以实现量子密码术,但最主要的竞争者之一是基于一种称为光子纠缠的现象。纠缠的光子必须在完全相同的时间内创建,具有完全相同的性质。听起来像是不可能?但加上频率梳就可以了。

形成频率梳的第一步是当初级激光器产生二阶波长。然而,由于能量守恒,一个波长必须具有更高的能量,一个波长必须具有更低的能量。另外,能量必须和主激光器完全相等,两个新的波长必须在同一时间出现。因此,频率梳发生器可以看作是纠缠光子发生器。

虽然减少频率梳的尺寸和功率要求是关键的技术障碍,但在便携式平台上的量子密码术之前,仍存在许多集成和制造挑战。

Armani是南加州大学新迈克尔逊生物科学中心的一名教员,他指出,除了量子加密在未来确保我们的医疗保健信息中所起的重要作用外,频率梳也被用来改善癌症生物标记物的检测。

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