Sichere drahtlose Kommunikation ohne Verschlüsselung
Forscher der Princeton University, der University of Michigan-Shanghai Jiao Tong University Joint Institute und der Xi'an Jiaotong University entwickelten a Millimeterwellen-Funkchip Dies ermöglicht sichere drahtlose Übertragungen und macht es schwierig, hochfrequente drahtlose Übertragungen zu belauschen, selbst mit mehreren geheimen Betrügern.
Der Chip, der mit Standard-Foundry-Prozessen gebaut wird, kann das Abfangen verhindern, ohne Latenz, Effizienz und Geschwindigkeit des 5G-Netzwerks zu verringern.
„Wir befinden uns in einer neuen drahtlosen Ära – die Netzwerke der Zukunft werden immer komplexer werden und gleichzeitig eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen bedienen, die sehr unterschiedliche Funktionen erfordern“, sagte Kaushik Sengupta, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik in Princeton . „Denken Sie an intelligente Sensoren mit geringem Stromverbrauch in Ihrem Zuhause oder in der Industrie, an Augmented Reality oder Virtual Reality mit hoher Bandbreite und an selbstfahrende Autos. Um dies zu dienen und dies gut zu tun, müssen wir ganzheitlich und auf allen Ebenen über Sicherheit nachdenken.“
Anstatt eine Verschlüsselung zu verwenden, formt das Verfahren die Übertragung selbst, um ein Abhören zu verhindern. Es verwendet mehrere Antennen, die als Array arbeiten, um Funkwellen zu erzeugen, die sich gegenseitig stören. Ein Array von Antennen ist in der Lage, diese Interferenz zu nutzen, um eine Übertragung entlang eines definierten Pfades zu lenken. Aber neben der Hauptübertragung gibt es Nebenwege. Diese sekundären Pfade sind schwächer als die Hauptübertragung, aber in einem typischen System enthalten sie genau das gleiche Signal wie der Hauptpfad. Durch das Abhören dieser Pfade können potentielle Lauscher die Übertragung kompromittieren.
Das Team war in der Lage, das Signal am Ort der Lauscher ähnlich wie Rauschen erscheinen zu lassen. Dazu zerhacken sie die Nachricht nach dem Zufallsprinzip und ordnen verschiedene Teile der Nachricht Teilmengen von Antennen im Array zu. Die Forscher konnten die Übertragung so koordinieren, dass nur ein Empfänger in der vorgesehenen Richtung das Signal in der richtigen Reihenfolge zusammensetzen kann. Überall sonst kommen die zerhackten Signale rauschartig an.
Die Forscher erstellten das System in einem Chip, der in einer Standard-Chip-Gießerei hergestellt werden kann. (Bild von der Princeton University)
Sengupta verglich die Technik mit dem Zerhacken eines Musikstücks in einem Konzertsaal. „Stellen Sie sich in einem Konzertsaal vor, während Sie Beethovens Symphonie Nr. 9 spielen, jedes Instrument entscheidet sich, statt alle Noten des Stücks zu spielen, zufällig ausgewählte Noten zu spielen. Sie spielen diese Noten zu den richtigen Zeiten und schweigen zwischen ihnen, sodass jede Note im Originalstück von mindestens einem Instrument gespielt wird. Während die Schallwellen, die diese Töne von allen Instrumenten tragen, durch den Saal wandern, können sie an einem bestimmten Ort genau in der richtigen Weise ankommen. Der dort sitzende Zuhörer würde das ursprüngliche Stück genießen, als ob sich nichts geändert hätte. Alle anderen würden eine Kakophonie aus fehlenden Noten hören, die zu zufälligen Zeiten eintreffen, fast wie Lärm. Dies ist im Prinzip das Geheimnis hinter der Übertragungssicherheit – ermöglicht durch präzise räumliche und zeitliche Modulation dieser hochfrequenten elektromagnetischen Felder.“
Wenn der Lauscher versuchte, die Hauptübertragung zu stören, würde dies Probleme verursachen, die für den beabsichtigten Empfänger erkennbar sind.
Während mehrere Lauscher zusammenarbeiten könnten, um die rauschähnlichen Signale zu sammeln und zu versuchen, sie wieder zu einer kohärenten Übertragung zusammenzusetzen, wäre die Anzahl der dafür erforderlichen Empfänger „außerordentlich groß“, sagte Sengupta. „Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass es möglich ist, mehrere rauschähnliche Signaturen in das Originalsignal einzufügen, indem Abhörer mithilfe von KI geheime Absprachen treffen, aber es ist sehr schwierig. Und wir haben auch Techniken gezeigt, wie der Sender sie täuschen kann. Es ist ein Katz-und-Maus-Spiel.“
Sengupta sagte, es wäre auch möglich, Verschlüsselung zusammen mit dem neuen System für zusätzliche Sicherheit zu verwenden. „Sie können immer noch zusätzlich verschlüsseln, aber Sie können den Aufwand für die Verschlüsselung mit einer zusätzlichen Sicherheitsebene reduzieren. Es ist ein komplementärer Ansatz.“
On-Chip-Frequenzschieber
Forscher der Harvard University entwickelt On-Chip-Frequenzschieber die Licht im Gigahertz-Frequenzbereich umwandeln können. Die Frequenzschieber werden mit Dauer- und Einzelton-Mikrowellen angesteuert.
„Unsere Frequenzverschieber könnten ein grundlegender Baustein für hochschnelle, groß angelegte klassische Kommunikationssysteme sowie aufkommende photonische Quantencomputer werden“, sagte Marko Lončar, Professor für Elektrotechnik an der Harvard SEAS.
Das Team baute zwei Arten von On-Chip-Frequenzschiebern auf einer Lithiumniobat-Plattform. Die Forscher hatten zuvor eine Technik zur Herstellung von Hochleistungs-Lithiumniobat-Mikrostrukturen unter Verwendung von Standard-Plasmaätzen demonstriert, um Mikroresonatoren physikalisch in dünne Lithiumniobat-Filme zu formen.
In der neuesten Arbeit ätzten sie gekoppelte Ringresonatoren und Wellenleiter auf Dünnfilm-Lithiumniobat. In der ersten Vorrichtung bilden zwei gekoppelte Resonatoren eine Acht-ähnliche Struktur. Eingangslicht wandert vom Wellenleiter durch die Resonatoren in einem Achtermuster, tritt in einer Farbe ein und tritt in einer anderen wieder aus. Dieses Gerät bietet Frequenzverschiebungen von bis zu 28 Gigahertz mit einem Wirkungsgrad von etwa 90 %. Es kann auch als abstimmbarer Frequenzbereichs-Strahlteiler umkonfiguriert werden, bei dem ein Strahl einer Frequenz in zwei Strahlen einer anderen Frequenz aufgeteilt wird.
Das zweite Gerät verwendet drei gekoppelte Resonatoren: einen kleinen Ringresonator, einen langen ovalen Resonator, der Rennbahnresonator genannt wird, und einen rechteckig geformten Resonator. Wenn das Licht um den Resonator der Rennstrecke herumschnellt, kaskadiert es in immer höhere Frequenzen, was zu einer Verschiebung von bis zu 120 Gigahertz führt.
„Wir sind in der Lage, diese Größenordnung der Frequenzverschiebung mit nur einem einzigen 30-Gigahertz-Mikrowellensignal zu erreichen“, sagte Yaowen Hu, Forschungsassistent bei Harvard SEAS. „Dies ist eine völlig neue Art von photonischen Geräten. Frühere Versuche, Frequenzen um mehr als 100 Gigahertz zu verschieben, waren sehr schwierig und teuer und erforderten ein ebenso großes Mikrowellensignal.“
„Diese Arbeit wird durch all unsere früheren Entwicklungen in der integrierten Lithiumniobat-Photonik ermöglicht“, sagte Lončar. „Die Fähigkeit, Informationen im Frequenzbereich auf effiziente, kompakte und skalierbare Weise zu verarbeiten, hat das Potenzial, die Kosten und den Ressourcenbedarf für große photonische Schaltungen, einschließlich Quantencomputer, Telekommunikation, Radar, optische Signalverarbeitung und Spektroskopie, erheblich zu reduzieren .“
Modulation von sichtbarem Licht
Forscher der Columbia University entwickelten eine optischer Phasenmodulator für sichtbares Wellenlängenlicht, das es ohne Dimmen manipulieren kann.
Optische Phasenmodulatoren steuern die Phase einer Lichtwelle und werden in optischen On-Chip-Schaltern verwendet, die Licht in verschiedene Wellenleiterports leiten. Phasenmodulatoren im sichtbaren Bereich sind jedoch aufgrund eines Mangels an Materialien, die sowohl Transparenz als auch ein hohes Maß an Abstimmbarkeit bieten, schwierig herzustellen. Zwei der am besten geeigneten Materialien sind Siliziumnitrid und Lithiumniobat, die zwar für sichtbares Licht hochtransparent sind, aber wenig Abstimmbarkeit aufweisen, was bedeutet, dass darauf basierende Geräte groß und leistungshungrig sind.
Der Ansatz der Forscher verwendet Mikroringresonatoren, um sowohl die Größe als auch den Stromverbrauch eines Phasenmodulators für das sichtbare Spektrum von einem Millimeter auf 10 Mikrometer und von mehreren zehn Milliwatt für die π-Phasenabstimmung auf unter ein Milliwatt zu reduzieren.
„Normalerweise ist es umso besser, je größer etwas ist. Aber integrierte Geräte sind eine bemerkenswerte Ausnahme“, sagte Nanfang Yu, außerordentlicher Professor für angewandte Physik an der Columbia. „Es ist wirklich schwierig, Licht auf einen Punkt zu beschränken und zu manipulieren, ohne viel von seiner Kraft zu verlieren. Wir freuen uns, dass uns in dieser Arbeit ein Durchbruch gelungen ist, der den Horizont der integrierten Photonik im großen Maßstab im sichtbaren Spektrum erheblich erweitern wird.“
„Der Schlüssel zu unserer Lösung bestand darin, einen optischen Resonator zu verwenden und ihn im sogenannten „stark überkoppelten“ Regime zu betreiben“, sagte Michal Lipson, Professor für Elektrotechnik und Professor für angewandte Physik an der Columbia University.
Im „stark überkoppelten“ Regime, einem Zustand, in dem die Kopplungsstärke zwischen dem Mikroring und dem „Bus“-Wellenleiter, der Licht in den Ring einspeist, mindestens zehnmal stärker ist als der Verlust des Mikrorings. „Letzteres ist hauptsächlich auf optische Streuung an der nanoskaligen Rauheit an den Seitenwänden des Geräts zurückzuführen“, sagte Lipson. „Sie können niemals photonische Geräte mit perfekt glatten Oberflächen herstellen.“
„Unsere besten Phasenmodulatoren, die bei den blauen und grünen Farben arbeiten, die den schwierigsten Teil des sichtbaren Spektrums darstellen, haben einen Radius von nur fünf Mikrometern, verbrauchen eine Leistung von 0.8 mW für die π-Phasenabstimmung und führen eine Amplitudenvariation von weniger als ein 10 %“, sagte Heqing Huang, ein Doktorand an der Columbia. „Keine frühere Arbeit hat so kompakte, energieeffiziente und verlustarme Phasenmodulatoren bei sichtbaren Wellenlängen demonstriert.“
Die Forscher stellen fest, dass sie zwar noch lange nicht den Integrationsgrad der Elektronik erreicht haben, ihre Arbeit aber die Kluft zwischen photonischen und elektronischen Schaltern erheblich verringert. „Wenn frühere Modulatortechnologien nur die Integration von 100 Wellenleiter-Phasenmodulatoren bei einem bestimmten Chip-Footprint und Leistungsbudget ermöglichen, können wir dies jetzt 100-mal besser tun und 10,000 Phasenschieber auf dem Chip integrieren, um viel ausgefeiltere Funktionen zu realisieren“, sagte Yu.
Das Team arbeitet daran, LIDAR im sichtbaren Spektrum zu demonstrieren, das aus großen 2D-Arrays von Phasenschiebern besteht, die auf adiabatischen Mikroringen basieren. Sie weisen auch darauf hin, dass die Designstrategien auf elektrooptische Modulatoren angewendet werden können, um deren Footprints und Ansteuerspannungen zu reduzieren, und dass sie in anderen Spektralbereichen wie Ultraviolett, Telekommunikation, mittlerem Infrarot und Terahertz sowie in anderen Resonatordesigns darüber hinaus angepasst werden können Mikroringe.
„Daher kann unsere Arbeit zukünftige Bemühungen inspirieren, bei denen Menschen eine starke Überkopplung in einer Vielzahl von resonatorbasierten Geräten implementieren können, um die Licht-Materie-Wechselwirkungen zu verbessern, beispielsweise zur Verbesserung der optischen Nichtlinearität, zur Herstellung neuartiger Laser und zur Beobachtung neuartiger Quanten optische Effekte bei gleichzeitiger Unterdrückung optischer Verluste“, sagte Lipson.
Die Post Forschungsbits: 22. März erschien zuerst auf Halbleitertechnik.
