De chromocoderingsmethode gebruikt kleur om informatie te coderen

In een nieuwe benadering van beveiliging die technologie en kunst verenigt, hebben EPFL-onderzoekers zilveren nanostructuren gecombineerd met gepolariseerd licht om een ​​reeks schitterende kleuren op te leveren, die kunnen worden gebruikt om berichten te coderen.

Cryptografie is een nieuw vakgebied voor Olivier Martin, die als hoofd van het Nanophotonics and Metrology Lab EPFL’s School of Engineering al vele jaren de optica van nanostructuren bestudeert. Maar na het ontwikkelen van enkele nieuwe zilveren nanostructuren in samenwerking met het Center of MicroNanoTechnology, Martin en Ph.D. student Hsiang-Chu Wang merkte op dat deze nanostructuren op een onverwachte manier reageerden op gepolariseerd licht, wat toevallig perfect was voor het coderen van informatie.

Ze ontdekten dat wanneer gepolariseerd licht vanuit bepaalde richtingen door de nanostructuren scheen, een reeks levendige en gemakkelijk herkenbare kleuren werd teruggekaatst. Aan deze verschillende kleuren kunnen nummers worden toegewezen, die vervolgens kunnen worden gebruikt om letters weer te geven met behulp van de elektronische communicatiestandaardcode ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Om een ​​geheim bericht te coderen, pasten de onderzoekers een quaternaire code toe met de cijfers 0, 1, 2 en 3 (in tegenstelling tot de meer algemeen gebruikte binaire code 0 en 1). Het resultaat was een reeks van viercijferige reeksen die waren samengesteld uit verschillende kleurencombinaties die konden worden gebruikt om een ​​bericht te spellen, en de methode van chromo-encryptie was geboren.

Met behulp van hun systeem vertegenwoordigde de kleurenreeks oranje, geel, rood, wit respectievelijk de cijfers 1, 0, 2, 0; een reeks cijfers die op hun beurt coderen voor de letter “H’ in het geheime testbericht “Hallo!”

“Elke kleurcode is niet uniek, wat betekent dat hetzelfde cijfer – 0, 1, 2 of 3 – een andere kleur kan vertegenwoordigen. Dit betekent dat het encryptiesysteem nog veiliger is, omdat de kans op het raden van de juiste codereeks kleiner is,” Martin legt uit. De resultaten van het lab zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde optische materialen.

Een verrassende reactie op licht

De kern van de nieuwe methode is de unieke reactie van de zilveren nanostructuren op gepolariseerd licht. De verschillende tinten die de onderzoekers waarnamen, werden eerst geproduceerd door de lengte en positie van de nanostructuren te variëren. Vervolgens schenen de onderzoekers gepolariseerd licht op hen, wat betekent dat de lichtgolven in gecontroleerde richtingen oscilleerden (verticaal, horizontaal of diagonaal). Afhankelijk van de polarisatierichting veranderde het door de nanostructuren gereflecteerde licht van dof in levendig, wat robuuste kleuren opleverde die vervolgens voor analyse door een tweede polarisator werden gestuurd.

Cruciaal is dat bij de chromo-coderingsmethode alleen de juiste combinatie van polarisatierichtingen de geheime boodschap zou onthullen; licht gepolariseerd in een andere richting zou een reeks kleuren onthullen die overeenkomen met een onzinnige boodschap.

Martin legt uit dat tot hun verbazing de nanostructuren een zogenaamde chirale respons vertoonden, omdat ze het gepolariseerde licht in een andere richting weerkaatsten dan de excitatie zelf. In de natuurkunde en scheikunde is chiraliteit – of de eigenschappen van een materiaal die voortkomen uit zijn geometrische asymmetrie – een belangrijk en goed bestudeerd functioneel aspect van moleculen zoals eiwitten. Maar het was niet te verwachten dat het zou worden gezien in de symmetrische zilveren nanostructuren.

“Chiraliteit is een concept dat vaak wordt misbruikt en dat moeilijk vast te pinnen is. Het fundamentele aspect van chiraliteit in eenvoudige geometrieën zoals die worden vertoond door onze nanostructuren, is een belangrijke bevinding van deze studie.”

Technologie combineren met het menselijk oog

Naast het coderen van berichten, toonden de onderzoekers aan dat ze hun methode konden gebruiken om een ​​schilderij te reproduceren – in dit geval Picasso’s mediterrane landschap – op nanometerschaal. Om dit te bereiken, vervingen ze de pixels van een digitale reproductie van het schilderij door hun zilveren nanostructuren. Net als bij de chromo-encryptiemethode, werd het kunstwerk pas onthuld als er in de juiste richting gepolariseerd licht op de “nano-schilderij.”

Martin zegt dat hij gelooft dat de combinatie van nanotechnologie met menselijke visuele perceptie veel potentieel heeft voor zowel artistieke toepassingen als coderingstechnieken, zoals veiligere bankbiljetten.

“Nanomaterialen en kleur bevinden zich op het snijvlak van hightech en kunstzinnigheid en dat spreekt me erg aan. Met behulp van nanostructuren kun je een enorme hoeveelheid informatie op een extreem klein gebied coderen, dus er is een potentieel voor een zeer hoge informatiedichtheid. Tegelijkertijd kan een benadering van codering die kan worden gelezen en geïnterpreteerd door het blote menselijke oog, in tegenstelling tot een computer, voordelig zijn.”