Sécuriser les communications sans fil sans cryptage
Des chercheurs de l'Université de Princeton, de l'Institut conjoint de l'Université du Michigan et de l'Université Jiao Tong de Shanghai et de l'Université Xi'an Jiaotong ont développé un puce sans fil à ondes millimétriques qui permet des transmissions sans fil sécurisées et rend difficile l'écoute clandestine des transmissions sans fil à haute fréquence, même avec plusieurs acteurs malveillants en collusion.
La puce, construite à l'aide de processus de fonderie standard, peut empêcher l'interception sans réduire la latence, l'efficacité et la vitesse du réseau 5G.
"Nous sommes dans une nouvelle ère du sans fil - les réseaux du futur vont être de plus en plus complexes tout en servant un large éventail d'applications différentes qui exigent des fonctionnalités très différentes", a déclaré Kaushik Sengupta, professeur agrégé d'ingénierie électrique et informatique à Princeton. . "Pensez aux capteurs intelligents à faible consommation d'énergie dans votre maison ou dans une industrie, à la réalité augmentée ou à la réalité virtuelle à haut débit et aux voitures autonomes. Pour servir cela et bien servir cela, nous devons penser à la sécurité de manière globale et à tous les niveaux. »
Au lieu d'utiliser le cryptage, la méthode façonne la transmission elle-même pour empêcher l'écoute clandestine. Il utilise plusieurs antennes fonctionnant comme un réseau pour générer des ondes radio qui interfèrent les unes avec les autres. Un réseau d'antennes est capable d'utiliser cette interférence pour diriger une transmission le long d'un chemin défini. Mais outre la transmission principale, il existe des voies secondaires. Ces chemins secondaires sont plus faibles que la transmission principale, mais dans un système typique, ils contiennent exactement le même signal que le chemin principal. En exploitant ces chemins, les espions potentiels peuvent compromettre la transmission.
L'équipe a pu faire en sorte que le signal à l'emplacement des oreilles indiscrètes ressemble à du bruit. Pour ce faire, ils hachent le message de manière aléatoire et attribuent différentes parties du message à des sous-ensembles d'antennes du réseau. Les chercheurs ont pu coordonner la transmission afin que seul un récepteur dans la direction voulue puisse assembler le signal dans le bon ordre. Partout ailleurs, les signaux hachés arrivent d'une manière qui ressemble à du bruit.
Les chercheurs ont créé le système dans une puce qui peut être fabriquée dans une fonderie de puces standard. (Image de l'Université de Princeton)
Sengupta a comparé la technique au découpage d'un morceau de musique dans une salle de concert. « Imaginez dans une salle de concert, en jouant la symphonie n° 9 de Beethoven, chaque instrument, au lieu de jouer toutes les notes de la pièce, décide de jouer des notes choisies au hasard. Ils jouent ces notes au bon moment et restent silencieux entre eux, de sorte que chaque note de la pièce originale est jouée par au moins un instrument. Au fur et à mesure que les ondes sonores transportant ces notes de tous les instruments traversent la salle, à un certain endroit, elles peuvent arriver précisément de la bonne manière. L'auditeur assis là apprécierait la pièce originale comme si rien n'avait changé. Tout le monde entendrait une cacophonie de notes manquantes arrivant à des moments aléatoires, presque comme du bruit. C'est, en principe, la sauce secrète derrière la sécurité de transmission - rendue possible par une modulation spatiale et temporelle précise de ces champs électromagnétiques à haute fréquence.
Si l'écouteur essayait d'interférer avec la transmission principale, cela causerait des problèmes détectables au récepteur prévu.
Alors que plusieurs écoutes clandestines pourraient travailler ensemble pour collecter les signaux de type bruit et tenter de les réassembler en une transmission cohérente, le nombre de récepteurs nécessaires pour le faire serait "extraordinairement grand", a déclaré Sengupta. "Nous avons montré pour la première fois qu'il est possible d'assembler plusieurs signatures de type bruit dans le signal d'origine en associant des écoutes clandestines appliquant l'IA, mais c'est très difficile. Et nous avons également montré des techniques sur la façon dont l'émetteur peut les tromper. C'est un jeu du chat et de la souris. »
Sengupta a déclaré qu'il serait également possible d'utiliser le cryptage avec le nouveau système pour une sécurité supplémentaire. "Vous pouvez toujours chiffrer par-dessus, mais vous pouvez réduire la charge de chiffrement avec une couche de sécurité supplémentaire. C'est une démarche complémentaire. »
Décaleurs de fréquence sur puce
Des chercheurs de l'Université de Harvard ont mis au point décaleurs de fréquence sur puce qui peut convertir la lumière dans la gamme de fréquences gigahertz. Les décaleurs de fréquence sont contrôlés à l'aide de micro-ondes continues et monotones.
"Nos décaleurs de fréquence pourraient devenir un élément fondamental des systèmes de communication classiques à grande vitesse et à grande échelle ainsi que des ordinateurs quantiques photoniques émergents", a déclaré Marko Lončar, professeur de génie électrique à Harvard SEAS.
L'équipe a construit deux types de décaleurs de fréquence sur puce sur une plate-forme de niobate de lithium. Les chercheurs avaient précédemment démontré une technique pour fabriquer des microstructures de niobate de lithium hautes performances en utilisant une gravure au plasma standard pour sculpter physiquement des microrésonateurs dans des films minces de niobate de lithium.
Dans les derniers travaux, ils ont gravé des résonateurs en anneau couplés et des guides d'ondes sur du niobate de lithium en couche mince. Dans le premier dispositif, deux résonateurs couplés forment une structure en forme de huit. La lumière d'entrée se déplace du guide d'ondes à travers les résonateurs selon un schéma en huit, entrant dans une couleur et émergeant dans une autre. Cet appareil fournit des décalages de fréquence aussi élevés que 28 gigahertz avec une efficacité d'environ 90 %. Il peut également être reconfiguré en tant que séparateurs de faisceaux accordables dans le domaine fréquentiel, où un faisceau d'une fréquence est divisé en deux faisceaux d'une autre fréquence.
Le deuxième appareil utilise trois résonateurs couplés : un petit résonateur en anneau, un long résonateur ovale appelé résonateur de circuit et un résonateur de forme rectangulaire. Au fur et à mesure que la lumière se déplace autour du résonateur de l'hippodrome, elle se transforme en fréquences de plus en plus élevées, entraînant un décalage aussi élevé que 120 gigahertz.
"Nous sommes en mesure d'atteindre cette amplitude de décalage de fréquence en utilisant un seul signal micro-ondes de 30 gigahertz", a déclaré Yaowen Hu, assistant de recherche à Harvard SEAS. « Il s'agit d'un tout nouveau type de dispositif photonique. Les tentatives précédentes de décalage des fréquences par des quantités supérieures à 100 gigahertz ont été très difficiles et coûteuses, nécessitant un signal micro-ondes tout aussi important.
"Ce travail est rendu possible par tous nos développements antérieurs en photonique intégrée au niobate de lithium", a déclaré Lončar. « La capacité de traiter les informations dans le domaine fréquentiel de manière efficace, compacte et évolutive a le potentiel de réduire considérablement les dépenses et les besoins en ressources pour les circuits photoniques à grande échelle, y compris l'informatique quantique, les télécommunications, le radar, le traitement du signal optique et la spectroscopie. .”
Modulation de la lumière visible
Des chercheurs de l'Université de Columbia ont mis au point un modulateur de phase optique pour la lumière de longueur d'onde visible qui peut la manipuler sans gradation.
Les modulateurs de phase optique contrôlent la phase d'une onde lumineuse et sont utilisés dans des commutateurs optiques intégrés qui canalisent la lumière vers différents ports de guide d'ondes. Cependant, les modulateurs de phase dans le domaine visible sont difficiles à fabriquer en raison d'un manque de matériaux offrant à la fois une transparence et un degré élevé d'accordabilité. Deux des matériaux les plus appropriés sont le nitrure de silicium et le niobate de lithium, qui, tout en étant très transparents à la lumière visible, manquent de beaucoup d'accordabilité, ce qui signifie que les appareils basés sur eux sont volumineux et gourmands en énergie.
L'approche des chercheurs utilise des résonateurs à micro-anneaux pour réduire à la fois la taille et la consommation d'énergie d'un modulateur de phase à spectre visible, d'un millimètre à 10 microns, et de dizaines de milliwatts pour le réglage de phase π à moins d'un milliwatt.
"Habituellement, plus quelque chose est gros, mieux c'est. Mais les appareils intégrés sont une exception notable », a déclaré Nanfang Yu, professeur agrégé de physique appliquée à Columbia. « Il est vraiment difficile de confiner la lumière à un endroit et de la manipuler sans perdre une grande partie de sa puissance. Nous sommes ravis que dans ce travail, nous ayons fait une percée qui élargira considérablement l'horizon de la photonique intégrée à large échelle dans le spectre visible.
"La clé de notre solution était d'utiliser un résonateur optique et de le faire fonctionner dans le régime dit" fortement surcouplé "", a déclaré Michal Lipson, professeur de génie électrique et professeur de physique appliquée à Columbia.
Dans le régime "fortement surcouplé", une condition dans laquelle la force de couplage entre le micro-anneau et le guide d'ondes "bus" qui alimente la lumière dans l'anneau est au moins 10 fois plus forte que la perte du micro-anneau. "Ce dernier est principalement dû à la diffusion optique à la rugosité à l'échelle nanométrique sur les parois latérales de l'appareil", a déclaré Lipson. "Vous ne pouvez jamais fabriquer des dispositifs photoniques avec des surfaces parfaitement lisses."
"Nos meilleurs modulateurs de phase fonctionnant dans les couleurs bleue et verte, qui sont la partie la plus difficile du spectre visible, ont un rayon de seulement cinq microns, consomment une puissance de 0.8 mW pour le réglage de phase π et introduisent une variation d'amplitude inférieure à 10% », a déclaré Heqing Huang, étudiant diplômé à Columbia. "Aucun travail antérieur n'a démontré des modulateurs de phase aussi compacts, économes en énergie et à faible perte aux longueurs d'onde visibles."
Les chercheurs notent que même s'ils sont loin du degré d'intégration de l'électronique, leurs travaux réduisent considérablement l'écart entre les commutateurs photoniques et électroniques. "Si les technologies de modulateur précédentes ne permettaient que l'intégration de 100 modulateurs de phase de guide d'ondes avec une certaine empreinte de puce et un certain budget de puissance, nous pouvons maintenant le faire 100 fois mieux et intégrer 10,000 XNUMX déphaseurs sur puce pour réaliser des fonctions beaucoup plus sophistiquées", a déclaré Yu.
L'équipe travaille à la démonstration d'un LIDAR à spectre visible composé de grands réseaux 2D de déphaseurs basés sur des micro-anneaux adiabatiques. Ils notent également que les stratégies de conception peuvent être appliquées aux modulateurs électro-optiques pour réduire leurs empreintes et leurs tensions de commande et peuvent être adaptées dans d'autres gammes spectrales telles que l'ultraviolet, les télécommunications, l'infrarouge moyen et le térahertz, ainsi que dans d'autres conceptions de résonateurs au-delà. micro-anneaux.
«Ainsi, notre travail peut inspirer des efforts futurs où les gens peuvent mettre en œuvre un fort surcouplage dans une large gamme de dispositifs à base de résonateur pour améliorer les interactions lumière-matière, par exemple, pour améliorer la non-linéarité optique, pour fabriquer de nouveaux lasers, pour observer de nouveaux quantum effets optiques, tout en supprimant les pertes optiques en même temps », a déclaré Lipson.
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