Klassificerede knob:Forskere skaber optiske indrammede knob for at kode information

I en verdensnyhed, forskere fra University of Ottawa i samarbejde med israelske forskere har været i stand til at skabe optiske indrammede knuder i laboratoriet, som potentielt kan anvendes i moderne teknologier. Deres arbejde åbner døren til nye metoder til at distribuere hemmelige kryptografiske nøgler - brugt til at kryptere og dekryptere data, sikre sikker kommunikation og beskytte private oplysninger. Gruppen har for nylig offentliggjort deres resultater i Naturkommunikation .

"Dette er grundlæggende vigtigt, især fra et topologi-fokuseret perspektiv, da indrammede knob giver en platform for topologiske kvanteberegninger, " forklarede senior forfatter, Professor Ebrahim Karimi, Canada Research Chair i Structured Light ved University of Ottawa.

"Ud over, vi brugte disse ikke-trivielle optiske strukturer som informationsbærere og udviklede en sikkerhedsprotokol til klassisk kommunikation, hvor information er kodet inden for disse indrammede knob."

Konceptet

Forskerne foreslår en simpel gør-det-selv lektion for at hjælpe os med bedre at forstå indrammede knuder, de tredimensionelle objekter, der også kan beskrives som en overflade.

"Tag en smal strimmel af et papir og prøv at lave en knude, " sagde førsteforfatter Hugo Larocque, uOttawa-alumne og nuværende ph.d. studerende på MIT.

"Det resulterende objekt omtales som en indrammet knude og har meget interessante og vigtige matematiske funktioner."

Gruppen forsøgte at opnå det samme resultat, men inden for en optisk stråle, hvilket giver en højere sværhedsgrad. Efter et par forsøg (og knuder, der lignede mere knyttet snore), gruppen fandt på, hvad de ledte efter:en sammenknyttet båndstruktur, der er essentiel for indrammede knuder.

"For at tilføje dette bånd, vores gruppe stolede på stråleformningsteknikker, der manipulerede lysets vektorielle natur, " forklarede Hugo Larocque. "Ved at ændre oscillationsretningen af ​​lysfeltet langs en "uindrammet" optisk knude, vi var i stand til at tildele en ramme til sidstnævnte ved at "lime" sammen de linjer, der er sporet ud af disse oscillerende felter."

Ifølge forskerne, strukturerede lysstråler bliver i vid udstrækning udnyttet til kodning og distribution af information.

"Indtil nu, disse anvendelser har været begrænset til fysiske størrelser, som kan genkendes ved at observere strålen i en given position, " sagde uOttawa Postdoctoral Fellow og medforfatter til denne undersøgelse, Dr. Alessio D'Errico.

"Vores arbejde viser, at antallet af snoninger i båndets orientering i forbindelse med primtalsfaktorisering kan bruges til at udtrække en såkaldt "fletningsrepræsentation" af knuden."

"De strukturelle træk ved disse objekter kan bruges til at specificere kvanteinformationsbehandlingsprogrammer, " tilføjede Hugo Larocque. "I en situation, hvor dette program ønsker at blive holdt hemmeligt, mens det spredes mellem forskellige parter, man ville have brug for et middel til at kryptere denne "fletning" og senere dechifrere den. Vores arbejde løser dette problem ved at foreslå at bruge vores optiske indrammede knude som et krypteringsobjekt for disse programmer, som senere kan gendannes ved hjælp af fletningsekstraktionsmetoden, som vi også introducerede."

"For første gang, disse komplicerede 3-D strukturer er blevet udnyttet til at udvikle nye metoder til distribution af hemmelige kryptografiske nøgler. I øvrigt, der er en bred og stærk interesse i at udnytte topologiske koncepter i kvanteberegninger, kommunikation og dissipationsfri elektronik. Knob er også beskrevet af specifikke topologiske egenskaber, som hidtil ikke blev taget i betragtning for kryptografiske protokoller."

Oprindelsen

Idéen bag projektet opstod i 2018, under en diskussion med israelske forskere ved et videnskabeligt møde på Kreta, Grækenland.

Forskere fra Ben-Gurion University of the Negev og Bar-Ilan University, i Israel, udviklet primtalskodningsprotokollen.

Projektet krydsede derefter Middelhavet og Atlanterhavet, før det endte i Dr. Karimis laboratorium placeret i Advanced Research Complex ved University of Ottawa. Det var her, den eksperimentelle procedure blev udviklet og gennemført. De resulterende data blev derefter analyseret, og flettestrukturen udvundet gennem et specielt udtænkt program.

Ansøgningerne

"Nuværende teknologier giver os mulighed for at manipulere, med høj nøjagtighed, de forskellige egenskaber, der karakteriserer en lysstråle, såsom intensitet, fase, bølgelængde og polarisering, " sagde Hugo Larocque. "Dette gør det muligt at indkode og afkode information med helt optiske metoder. Kvante- og klassiske kryptografiske protokoller er blevet udtænkt, der udnytter disse forskellige grader af frihed."

"Vores arbejde åbner vejen for brugen af ​​mere komplekse topologiske strukturer skjult i udbredelsen af ​​en laserstråle til distribution af hemmelige kryptografiske nøgler."

"I øvrigt, de eksperimentelle og teoretiske teknikker, vi udviklede, kan hjælpe med at finde nye eksperimentelle tilgange til topologisk kvanteberegning, som lover at overgå støjrelaterede problemer i nuværende kvantecomputerteknologier, " tilføjede Dr. Ebrahim Karimi.

Avisen "Optical framed knots as information carriers" blev for nylig udgivet i Naturkommunikation .