암호화 없는 무선 통신 보안
Princeton University, University of Michigan-Shanghai Jiao Tong University Joint Institute 및 Xi'an Jiaotong University의 연구원들은 밀리미터파 무선 칩 이는 보안 무선 전송을 허용하고 여러 명의 공모한 악의적 행위자가 있는 경우에도 고주파 무선 전송을 도청하기 어렵게 만듭니다.
표준 파운드리 프로세스를 사용하여 구축된 이 칩은 5G 네트워크의 지연, 효율성 및 속도를 줄이지 않고 가로채기를 방지할 수 있습니다.
Princeton의 전기 및 컴퓨터 공학 부교수인 Kaushik Sengupta는 "우리는 무선의 새로운 시대에 살고 있습니다. 미래의 네트워크는 매우 다양한 기능을 요구하는 다양한 애플리케이션을 제공하면서 점점 더 복잡해질 것입니다."라고 말했습니다. . “가정이나 산업 분야의 저전력 스마트 센서, 고대역폭 증강 현실 또는 가상 현실, 자율주행 자동차를 생각해 보십시오. 이를 제공하고 이를 잘 수행하려면 보안에 대해 모든 수준에서 전체론적으로 생각해야 합니다.”
암호화를 사용하는 대신 이 방법은 도청을 방지하기 위해 전송 자체를 형성합니다. 여러 안테나를 어레이로 사용하여 서로 간섭하는 전파를 생성합니다. 안테나 어레이는 이 간섭을 사용하여 정의된 경로를 따라 전송을 지시할 수 있습니다. 그러나 주 전송 외에 보조 경로가 있습니다. 이러한 XNUMX차 경로는 주 전송보다 약하지만 일반적인 시스템에서는 주 경로와 정확히 동일한 신호를 포함합니다. 이러한 경로를 도청함으로써 잠재적인 도청자가 전송을 손상시킬 수 있습니다.
팀은 도청자의 위치에서 신호가 잡음과 유사하게 보이도록 할 수 있었습니다. 이를 위해 그들은 메시지를 무작위로 자르고 메시지의 다른 부분을 어레이의 안테나 하위 집합에 할당합니다. 연구자들은 의도한 방향의 수신기만이 신호를 올바른 순서로 조립할 수 있도록 전송을 조정할 수 있었습니다. 다른 곳에서는 잘게 잘린 신호가 노이즈처럼 보이는 방식으로 도착합니다.
연구원들은 표준 칩 파운드리에서 제조할 수 있는 칩으로 시스템을 만들었습니다. (프린스턴 대학교의 이미지)
Sengupta는 이 기술을 콘서트 홀에서 음악을 자르는 것과 비교했습니다. “콘서트 홀에서 베토벤 교향곡 9번을 연주하는 동안 모든 악기가 작품의 모든 음표를 연주하는 대신 무작위로 선택된 음표를 연주한다고 상상해 보십시오. 그들은 정확한 시간에 이 음표를 연주하고 원본 곡의 각 음표가 최소한 일부 악기에서 연주되도록 음표 사이에 침묵을 유지합니다. 모든 악기에서 이러한 음표를 전달하는 음파가 홀을 통과하여 특정 위치에서 정확한 방식으로 도착하도록 만들 수 있습니다. 그 자리에 앉아 있는 청취자는 마치 아무 것도 변하지 않은 것처럼 원곡을 즐길 것입니다. 다른 모든 사람들은 거의 소음처럼 임의의 시간에 누락된 음표의 불협화음을 들을 것입니다. 이것은 원칙적으로 이러한 고주파 전자기장의 정확한 공간적 및 시간적 변조에 의해 가능한 전송 보안의 비밀 소스입니다.”
도청자가 주 전송을 방해하려고 하면 의도한 수신기에서 감지할 수 있는 문제가 발생할 수 있습니다.
Sengupta는 여러 도청자가 함께 작동하여 잡음과 유사한 신호를 수집하고 이를 일관된 전송으로 재조립하려고 시도할 수 있지만 이를 수행하는 데 필요한 수신기의 수는 "매우 많을 것"이라고 말했습니다. “AI를 적용한 도청자를 공모하여 노이즈와 유사한 여러 서명을 원래 신호에 꿰매는 것이 가능하다는 것을 처음으로 보여주었지만 매우 어렵습니다. 그리고 우리는 또한 송신기가 어떻게 그들을 속일 수 있는지 기술을 보여주었습니다. 고양이와 쥐 게임입니다.”
Sengupta는 추가 보안을 위해 새 시스템과 함께 암호화를 사용할 수도 있다고 말했습니다. “그 위에 여전히 암호화할 수 있지만 추가 보안 계층으로 암호화 부담을 줄일 수 있습니다. 이것은 무료 접근 방식입니다.”
온칩 주파수 시프터
하버드 대학교 연구진이 개발한 온칩 주파수 시프터 기가헤르츠 주파수 범위의 빛을 변환할 수 있습니다. 주파수 시프터는 연속 및 단일 톤 마이크로파를 사용하여 제어됩니다.
Harvard SEAS의 전기 공학 교수인 Marko Lončar는 "우리의 주파수 변환기는 고속, 대규모 고전 통신 시스템 및 신흥 광자 양자 컴퓨터를 위한 기본 빌딩 블록이 될 수 있습니다."라고 말했습니다.
팀은 리튬 니오베이트 플랫폼에 두 가지 유형의 온칩 주파수 시프터를 구축했습니다. 연구원들은 이전에 얇은 니오브산 리튬 필름에서 미세 공진기를 물리적으로 조각하기 위해 표준 플라즈마 에칭을 사용하여 고성능 니오브산 리튬 미세 구조를 제조하는 기술을 시연했습니다.
최신 연구에서 그들은 박막 리튬 니오베이트에 결합된 링 공진기와 도파관을 에칭했습니다. 첫 번째 장치에서는 두 개의 결합된 공진기가 28자 모양의 구조를 형성합니다. 입력 광은 도파관에서 공진기를 통해 90자 패턴으로 이동하여 한 색상으로 입력되고 다른 색상으로 나타납니다. 이 장치는 약 XNUMX% 효율로 최대 XNUMXGHz의 주파수 이동을 제공합니다. 또한 한 주파수의 빔이 다른 주파수의 두 빔으로 분할되는 조정 가능한 주파수 영역 빔 스플리터로 재구성될 수 있습니다.
두 번째 장치는 120개의 결합 공진기를 사용합니다. 작은 링 공진기, 레이스트랙 공진기라고 하는 긴 타원형 공진기, 직사각형 공진기입니다. 경마장 공진기 주변의 빛이 속도를 높이면 주파수가 점점 더 높아져 최대 XNUMXGHz의 이동이 발생합니다.
Harvard SEAS의 연구 조교인 Yaowen Hu는 "단 하나의 30GHz 마이크로웨이브 신호를 사용하여 이러한 크기의 주파수 이동을 달성할 수 있습니다. “이것은 완전히 새로운 유형의 광자 장치입니다. 100기가헤르츠보다 큰 양으로 주파수를 이동시키려는 이전의 시도는 매우 어렵고 비용이 많이 들었기 때문에 똑같이 큰 마이크로파 신호가 필요했습니다.”
"이 작업은 통합 리튬 니오베이트 포토닉스에 대한 이전의 모든 개발로 가능했습니다."라고 Lončar가 말했습니다. "효율적이고 컴팩트하며 확장 가능한 방식으로 주파수 영역의 정보를 처리하는 능력은 양자 컴퓨팅, 통신, 레이더, 광 신호 처리 및 분광기를 포함한 대규모 광자 회로에 대한 비용 및 리소스 요구 사항을 크게 줄일 수 있는 잠재력이 있습니다. .”
가시광선 변조
컬럼비아 대학의 연구원들이 개발한 광학 위상 변조기 디밍 없이 그것을 조작할 수 있는 가시 파장 빛을 위해.
광 위상 변조기는 광파의 위상을 제어하고 빛을 다른 도파관 포트로 보내는 온칩 광 스위치에 사용됩니다. 그러나 가시 범위 위상 변조기는 투명도와 높은 수준의 조정성을 모두 제공하는 재료가 부족하기 때문에 만들기가 어렵습니다. 가장 적합한 재료 중 두 가지는 질화규소와 니오브산리튬으로 가시광선에 대해서는 매우 투명하지만 조정 가능성이 거의 없어 이를 기반으로 하는 장치가 크고 전력 소모가 많습니다.
연구원들의 접근 방식은 마이크로 링 공진기를 사용하여 가시 스펙트럼 위상 변조기의 크기와 전력 소비를 10밀리미터에서 XNUMX미크론으로, π 위상 튜닝을 위한 수십 밀리와트에서 XNUMX밀리와트 미만으로 줄입니다.
“보통 큰 것은 클수록 좋습니다. 그러나 통합 장치는 주목할만한 예외입니다.”라고 Columbia의 응용 물리학 부교수인 Nanfang Yu가 말했습니다. “빛을 한 지점에 가두고 그 힘을 많이 잃지 않고 조작하는 것은 정말 어렵습니다. 우리는 이 작업에서 대규모 가시 스펙트럼 통합 포토닉스의 지평을 크게 확장할 돌파구를 만들게 되어 매우 기쁩니다.”
"우리 솔루션의 핵심은 광학 공진기를 사용하고 이를 소위 '강력한 과결합' 체제에서 작동하는 것이었습니다."라고 Columbia의 전기 공학 교수이자 응용 물리학 교수인 Michal Lipson이 말했습니다.
"강하게 과결합" 영역에서 마이크로 링과 링으로 빛을 공급하는 "버스" 도파관 사이의 결합 강도가 마이크로 링의 손실보다 최소 10배 더 강한 조건입니다. "후자는 주로 장치 측벽의 나노 스케일 거칠기에서 광학 산란으로 인한 것"이라고 Lipson은 말했습니다. "완벽하게 매끄러운 표면을 가진 광자 장치를 제작할 수는 없습니다."
“가시 스펙트럼의 가장 어려운 부분인 청색과 녹색에서 작동하는 우리의 최고의 위상 변조기는 반경이 0.8미크론에 불과하고 π 위상 조정을 위해 10mW의 전력을 소비하며 XNUMX%입니다.”라고 Columbia의 대학원생인 Heqing Huang이 말했습니다. "이전 작업은 가시광선 파장에서 이처럼 작고 전력 효율적이며 손실이 적은 위상 변조기를 입증한 적이 없습니다."
연구원들은 그들이 전자공학의 통합 정도에 가깝지는 않지만 그들의 작업은 광자 스위치와 전자 스위치 사이의 간격을 상당히 줄인다는 점에 주목합니다. Yu는 "이전 변조기 기술이 특정 칩 풋프린트와 전력 예산이 주어진 경우 100개의 도파관 위상 변조기의 통합만 허용했다면 이제 100배 더 잘 할 수 있고 칩에 10,000개의 위상 변이기를 통합하여 훨씬 더 정교한 기능을 실현할 수 있습니다."라고 말했습니다.
팀은 단열 마이크로 링을 기반으로 하는 위상 시프터의 대형 2D 어레이로 구성된 가시 스펙트럼 LIDAR를 시연하기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 또한 설계 전략을 전기 광학 변조기에 적용하여 설치 공간과 구동 전압을 줄일 수 있으며 자외선, 통신, 중적외선 및 테라헤르츠와 같은 다른 스펙트럼 범위는 물론 다른 공진기 설계에도 적용할 수 있다는 점에 주목합니다. 마이크로 링.
"따라서 우리의 작업은 예를 들어 광학 비선형성을 향상시키고 새로운 레이저를 만들고 새로운 양자를 관찰하기 위해 광물질 상호 작용을 향상시키기 위해 광범위한 공진기 기반 장치에서 강력한 과결합을 구현할 수 있는 미래의 노력에 영감을 줄 수 있습니다. 광학 효과를 제공하는 동시에 광학 손실을 억제합니다.”라고 Lipson은 말했습니다.
포스트 연구 비트: 22월 XNUMX일 첫 번째 등장 반도체 공학.
