Los datos viajan a través de miles de millas de cables de fibra óptica debajo de los océanos del mundo, a través de pulsos de luz. Y según los expertos, los datos de estos cables corren un gran riesgo de ser interceptados. Sin embargo, un peine de frecuencia de nuevo diseño, desarrollado recientemente por investigadores de la Escuela de Ingeniería de Viterbi de la USC, podría ser una herramienta eficaz para el cifrado de datos.

Investigadores Andrea M. Armani, Xiaoqin Shen, Rigoberto Castro Beltrán, Vinh M. Diep, y Soheil Soltani han inventado un nuevo método para crear un peine de frecuencia, una herramienta que aumenta las aplicaciones potenciales de los láseres al convertir una sola longitud de onda en múltiples longitudes de onda, creando eficazmente decenas a cientos de láseres a partir de un solo láser. El nuevo peine de frecuencia tiene el tamaño de un cabello humano en comparación con los peines de frecuencia tradicionales que pueden ser tan grandes como el refrigerador de un apartamento. Más importante, el peine recién generado requiere 1000 veces menos energía para funcionar, permitiendo aplicaciones móviles.

El estado actual de la técnica se basa en sistemas de materiales tradicionalmente utilizados en microelectrónica, como el silicio. Reemplazando estos materiales con moléculas orgánicas o basadas en carbono, el equipo de investigación dirigido por posdoctorado siguió un enfoque fundamentalmente diferente. Colocando solo una capa de una molécula orgánica de 25 átomos a la superficie de un láser, Los peines de frecuencia se demostraron con una reducción de potencia de 1000x.

Profesor Armani, la Cátedra Ray Irani en Ingeniería y Ciencias de los Materiales en la Escuela de Ingeniería de USC Viterbi, compara el cambio de silicio convencional a materiales orgánicos como análogo al cambio de "gas a eléctrico". En el nivel más básico, el proceso que permite generar el peine es claramente diferente en las dos clases de materiales.

"Los materiales ópticos orgánicos ya han transformado la industria electrónica, conduciendo a un encendedor, televisores y pantallas de teléfonos móviles de menor potencia, pero los intentos anteriores de conectar directamente estos materiales con láseres tropezaron, "dijo Armani, "Resolvimos el desafío de la interfaz. Debido a que nuestro enfoque se puede aplicar a una amplia gama de materiales orgánicos y tipos de láser, las posibilidades futuras son muy emocionantes ".

Oportunidad de cifrado óptico de datos

Las primeras aplicaciones de los peines de frecuencia se centraron en la detección de trazas de productos químicos y el mantenimiento del tiempo de alta precisión. Sin embargo, recientemente, Ha surgido una nueva aplicación de gran importancia para la sociedad:la criptografía cuántica.

Términos como ciberseguridad y cifrado cuántico solían ser las líneas argumentales de los thrillers de acción y las películas de Bond. pero con la llegada de las criptomonedas y la IoT, la conciencia de la ciberseguridad ha pasado de la pantalla grande a la corriente principal. ¿Cómo pueden contribuir los peines de frecuencia? La respuesta radica en cómo se transmiten los datos y cómo funciona la criptografía cuántica.

Cuando una señal de datos viaja a su destino, está empaquetado como una carta en un sobre cerrado. Como cualquier cerradura, algunos son más fáciles de romper que otros, y los esfuerzos actuales de cifrado se han centrado en crear bloqueos cada vez más complejos y dinámicos. Sin embargo, Una limitación fundamental con muchos enfoques actuales es que no es posible detectar cuándo ha fallado un cifrado.

El cifrado cuántico presenta un enfoque alternativo. No solo se pueden implementar claves más complejas, pero las intrusiones son inmediatamente evidentes a través de cambios en la señal de datos transmitida.

Si bien se están siguiendo muchas estrategias para permitir la criptografía cuántica, uno de los principales contendientes se basa en un fenómeno llamado entrelazamiento de fotones. Los pares de fotones entrelazados deben crearse exactamente al mismo tiempo con exactamente las mismas propiedades. ¿Suena imposible? Introduzca peines de frecuencia.

El primer paso para formar el peine de frecuencia ocurre cuando el láser primario genera un par secundario de longitudes de onda. Sin embargo, debido a la conservación de energía, una longitud de onda debe tener mayor energía y una longitud de onda debe tener menor energía. Adicionalmente, las energías deben sumar para ser exactamente iguales al láser primario, y las dos nuevas longitudes de onda deben aparecer exactamente al mismo tiempo. Por lo tanto, Los generadores de peine de frecuencia pueden verse como generadores de fotones entrelazados.

Si bien la reducción del tamaño y los requisitos de potencia del peine de frecuencia fueron obstáculos técnicos clave, Quedan muchos desafíos de integración y fabricación antes de que la criptografía cuántica en plataformas portátiles sea algo común.

Armani, miembro de la facultad del nuevo Centro Michelson de Biociencia Convergente de la USC, indicó que, además del importante papel que podría desempeñar el cifrado cuántico para proteger nuestra información sanitaria en el futuro, También se están utilizando peines de frecuencia para mejorar la detección de biomarcadores del cáncer.

El estudio completo "Oscilación paramétrica de umbral bajo en microcavidades modificadas orgánicamente" está disponible en Avances de la ciencia .