Nieuwe encryptietechnologie voor zichtbaar licht-communicatie maakt gebruik van chirale nanodeeltjes

Een onderzoeksteam heeft een nieuwe encryptietechnologie voor zichtbaar licht-communicatie ontwikkeld met hoge beveiliging, waarbij gebruik wordt gemaakt van chirale nanodeeltjes.

Net zoals een vuurtoren een leidende straal geeft in de enorme duisternis van de zee, is op licht gebaseerde informatieoverdracht door de hele geschiedenis van de mensheid een cruciaal communicatiemiddel geweest. Onlangs heeft de communicatietechnologie van de volgende generatie, gebaseerd op zichtbaar licht, dat hoge frequenties en lineariteit bezit, aandacht gekregen.

Het biedt voordelen zoals integratie met verlichtingssystemen en is vrij van de elektromagnetische interferentie die gepaard gaat met conventionele communicatienetwerken. Dankzij de hoge beveiliging en hoge transmissiesnelheden is communicatie met zichtbaar licht bijzonder geschikt voor lokale communicatiesystemen, vooral bij militaire operaties waarbij voertuigen, drones en personeel betrokken zijn.

Naast intensiteit en golflengte (kleur) kan licht door middel van polarisatie een enorme hoeveelheid informatie overbrengen. 3D-films gebruiken bijvoorbeeld gepolariseerde filters om twee verschillende gepolariseerde beelden aan de ogen van de kijker weer te geven, waardoor een gevoel van diepte ontstaat.

Onlangs zijn er pogingen ondernomen om de veiligheid en prestaties van communicatie met zichtbaar licht te verbeteren, inclusief de integratie van technologieën die verband houden met polarisatie, zoals kwantuminformatiecommunicatie gebaseerd op de superpositie van polarisatie.

Het gezamenlijke onderzoeksteam van SNU-KAIST concentreerde zich op hoe lichtpolarisatie aanzienlijk kan worden gemoduleerd door interactie met nanomaterialen. In deze studie ontwikkelden ze een innovatieve encryptietechnologie voor communicatie met zichtbaar licht op basis van nieuwe materialen. Het papier is gepubliceerd in het journaal Natuurcommunicatie.

De kern van deze technologie ligt in chirale nanomaterialen, die in een spiegel een symmetrische structuur vertonen, maar elkaar niet overlappen. Deze materialen kunnen de kanteling van de polarisatie-as of de rotatie-eigenschappen ervan aanzienlijk aanpassen.

Na eerder in 2018 en 2022 twee artikelen in het tijdschrift te hebben gepubliceerd Natuur over “de synthese en optische apparaattoepassing van chirale nanodeeltjes met polarisatiecontroleprestaties van wereldklasse”, heeft het onderzoeksteam nu een encryptietechnologie voor zichtbaar licht geïntroduceerd die niet kan worden gerepliceerd of onderschept zonder gedetailleerde informatie over de nanodeeltjes.

De chirale nanodeeltjes die in deze technologie worden gebruikt, worden gecreëerd door hun kristalstructuur te verdraaien met behulp van biomoleculen zoals eiwitten en DNA, die natuurlijke chiraliteit bezitten. De optische eigenschappen van deze nanodeeltjes kunnen niet worden gerepliceerd zonder volledige sequentie-informatie van de biomoleculen die bij hun synthese worden gebruikt.

Daarom functioneren chirale nanodeeltjes als vingerafdrukken of niet-kloneerbare sleutels bij communicatie met zichtbaar licht, waardoor alleen de ontvanger met de daadwerkelijke nanodeeltjes de informatie correct kan decoderen. Deze encryptietechnologie zal naar verwachting aanzienlijk bruikbaar zijn in veilige point-to-point-communicatiesystemen, zoals die worden gebruikt bij militaire operaties waarbij drones betrokken zijn.

Bovendien ontwikkelde het onderzoeksteam een ​​spatiotemporeel polarisatiecontroleapparaat dat gecodeerde polarisatie-informatie kan verzenden. Door quantum nanostaafjes, die efficiënt gepolariseerd licht uitstralen, te combineren met nanodraadmaterialen die rotatie-eigenschappen aan het licht geven, gebruikten ze 3D-printen om een ​​apparaat voor polarisatiecontrole te fabriceren met honderden micrometers aan ruimtelijke resolutie en nanoseconden aan temporele resolutie, waardoor alle polarisatietoestanden onbeperkt vertegenwoordigd zijn.

De zendeenheid kan polarisatie-informatie coderen en verzenden in een vorm die geschikt is voor de polarisatiecontrole-eigenschappen van de nanodeeltjes die dit apparaat gebruiken. Verwacht wordt dat deze technologie de basis zal vormen voor de massaproductie van apparaten die spatiotemporele polarisatie kunnen beheersen zonder te worden beperkt door de vormfactor.

Professor Ki Tae Nam van SNU’s Department of Materials Science and Engineering zei: “Dit onderzoek, dat nieuwe materiaaltechnologieën actief combineert met communicatietechnologieën, speelde een cruciale rol bij de ontwikkeling van ’s werelds eerste en enige communicatie-encryptietechnologie met zichtbaar licht. We verwachten dat deze technologie dragen niet alleen bij aan de nationale defensie, maar worden ook snel gecommercialiseerd op industriële gebieden zoals displaytechnologie.

Professor Junil Choi van de School of Electrical Engineering van KAIST voegde hieraan toe: “Dit uitstekende onderzoeksresultaat werd bereikt door gezamenlijke inspanningen van deskundigen op het gebied van materiaalkunde en elektrotechniek. In de toekomst willen we de communicatietechnologie voor zichtbaar licht op basis van nanodeeltjes verder ontwikkelen om communicatiesystemen te creëren die zijn fundamenteel onmogelijk om af te luisteren.”

Co-eerste auteur Jeong Hyun Han verklaarde ook: “We verwachten dat dit encryptiesysteem zal fungeren als een platform met grote schaalbaarheid en impact op het gebied van optische informatieoverdracht op basis van polarisatie.”

Het team werd geleid door professor Nam van de afdeling Materials Science and Engineering van SNU en professor Choi van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST).