Şifreleme olmadan kablosuz iletişimin güvenliğini sağlama
Princeton Üniversitesi, Michigan Üniversitesi-Shanghai Jiao Tong Üniversitesi Ortak Enstitüsü ve Xi'an Jiaotong Üniversitesi'nden araştırmacılar, bir milimetre dalga kablosuz çip Bu, güvenli kablosuz iletimlere izin verir ve birden fazla kötü niyetli aktörle bile, yüksek frekanslı kablosuz iletimleri dinlemeyi zorlaştırır.
Standart dökümhane süreçleri kullanılarak oluşturulan çip, 5G ağının gecikmesini, verimliliğini ve hızını düşürmeden müdahaleyi önleyebilir.
Princeton'da elektrik ve bilgisayar mühendisliği doçenti olan Kaushik Sengupta, "Yeni bir kablosuz çağındayız - geleceğin ağları, çok farklı özellikler gerektiren çok sayıda farklı uygulamaya hizmet ederken giderek daha karmaşık olacak" dedi. . “Evinizdeki veya bir endüstrideki düşük güçlü akıllı sensörleri, yüksek bant genişliğine sahip artırılmış gerçeklik veya sanal gerçeklik ve kendi kendini süren arabaları düşünün. Buna hizmet etmek ve buna iyi hizmet etmek için güvenliği bütünsel olarak ve her düzeyde düşünmemiz gerekiyor.”
Yöntem, şifreleme kullanmak yerine, gizli dinlemeyi önlemek için iletimin kendisini şekillendirir. Birbirine müdahale eden radyo dalgaları oluşturmak için bir dizi olarak çalışan birden fazla anten kullanır. Bir dizi anten, bir iletimi tanımlanmış bir yol boyunca yönlendirmek için bu girişimi kullanabilir. Ancak ana iletimin yanı sıra ikincil yollar da var. Bu ikincil yollar, ana iletimden daha zayıftır, ancak tipik bir sistemde ana yolla tam olarak aynı sinyali içerirler. Bu yollara dokunarak, potansiyel dinleyiciler iletimi tehlikeye atabilir.
Ekip, dinleyicilerin bulunduğu yerdeki sinyali gürültüye benzer hale getirmeyi başardı. Bunu yapmak için, mesajı rastgele keserler ve mesajın farklı kısımlarını dizideki antenlerin alt kümelerine atarlar. Araştırmacılar, iletimi koordine edebildiler, böylece yalnızca amaçlanan yöndeki bir alıcı, sinyali doğru sırada birleştirebilecekti. Diğer her yerde, kesilmiş sinyaller gürültüye benzer bir şekilde ulaşır.
Araştırmacılar sistemi, standart bir talaş dökümhanesinde üretilebilecek bir çipte oluşturdular. (Resim Princeton Üniversitesi tarafından)
Sengupta, tekniği bir konser salonunda bir müzik parçasını kesmeye benzetti. “Bir konser salonunda hayal edin, Beethoven'ın 9 numaralı senfonisini çalarken her enstrüman, parçanın tüm notalarını çalmak yerine rastgele seçilmiş notaları çalmaya karar veriyor. Bu notaları doğru zamanlarda çalarlar ve aralarında sessiz kalırlar, öyle ki orijinal parçadaki her nota en azından bir enstrüman tarafından çalınır. Tüm enstrümanlardan gelen bu notaları taşıyan ses dalgaları, salonda belirli bir yerde ilerlediğinden, tam olarak doğru şekilde ulaşmaları sağlanabilir. Orada oturan dinleyici, hiçbir şey değişmemiş gibi orijinal parçanın tadını çıkarır. Diğer herkes, neredeyse bir gürültü gibi, rastgele zamanlarda gelen kayıp notaların bir kakofonisini duyardı. Bu, prensipte, iletim güvenliğinin ardındaki gizli sostur — bu yüksek frekanslı elektromanyetik alanların kesin uzamsal ve zamansal modülasyonuyla sağlanır.”
Dinleyici ana iletimi engellemeye çalışırsa, amaçlanan alıcı tarafından algılanabilir sorunlara neden olur.
Sengupta, birden fazla dinleyici, gürültüye benzer sinyalleri toplamak ve bunları tutarlı bir iletimde yeniden birleştirmeye çalışmak için birlikte çalışabilirken, bunu yapmak için gereken alıcıların sayısının "olağanüstü derecede büyük" olacağını söyledi. “İlk kez, yapay zeka uygulayan gizli dinleyiciler tarafından orijinal sinyale birkaç gürültü benzeri imza eklemenin mümkün olduğunu gösterdik, ancak bu çok zor. Ayrıca vericinin onları nasıl kandırabileceğini de gösterdik. Bu bir kedi-fare oyunu.”
Sengupta, ek güvenlik için yeni sistemle birlikte şifreleme kullanmanın da mümkün olacağını söyledi. "Yine de bunun üzerine şifreleme yapabilirsiniz, ancak ek bir güvenlik katmanıyla şifreleme yükünü azaltabilirsiniz. Bu, tamamlayıcı bir yaklaşımdır.”
Çip üzerinde frekans değiştiriciler
Harvard Üniversitesi'nden araştırmacılar geliştirdi çip üzerinde frekans değiştiriciler gigahertz frekans aralığındaki ışığı dönüştürebilir. Frekans kaydırıcılar, sürekli ve tek tonlu mikrodalgalar kullanılarak kontrol edilir.
Harvard SEAS'ta elektrik mühendisliği profesörü Marko Lončar, "Frekans kaydırıcılarımız, yüksek hızlı, büyük ölçekli klasik iletişim sistemlerinin yanı sıra ortaya çıkan fotonik kuantum bilgisayarları için temel bir yapı taşı olabilir" dedi.
Ekip, bir lityum niyobat platformunda iki tür çip üzerinde frekans değiştirici inşa etti. Araştırmacılar daha önce, ince lityum niyobat filmlerinde mikrorezonatörleri fiziksel olarak şekillendirmek için standart plazma aşındırma kullanarak yüksek performanslı lityum niyobat mikroyapılarını imal etmek için bir teknik göstermişlerdi.
En son çalışmalarında, ince film lityum niyobat üzerine birleştirilmiş halka rezonatörleri ve dalga kılavuzları kazıdılar. İlk cihazda, iki bağlı rezonatör, sekiz şekline benzer bir yapı oluşturur. Giriş ışığı, dalga kılavuzundan rezonatörler boyunca sekiz şeklinde bir desende hareket eder, bir renk olarak girer ve başka bir renk olarak ortaya çıkar. Bu cihaz, yaklaşık %28 verimlilikle 90 gigahertz kadar yüksek frekans kaymaları sağlar. Aynı zamanda, bir frekansın ışınının başka bir frekansın iki ışınına bölündüğü, ayarlanabilir frekans alanlı ışın bölücüler olarak yeniden yapılandırılabilir.
İkinci cihaz üç bağlı rezonatör kullanır: küçük bir halka rezonatör, yarış pisti rezonatörü olarak adlandırılan uzun oval bir rezonatör ve dikdörtgen şekilli bir rezonatör. Işık, yarış pisti rezonatörünün etrafında hızlandıkça, giderek daha yüksek frekanslara doğru basamaklanarak 120 gigahertz kadar yüksek bir kaymaya neden olur.
Harvard SEAS'ta araştırma görevlisi olan Yaowen Hu, "Bu büyüklükteki frekans kaymasını yalnızca tek bir 30 gigahertz mikrodalga sinyali kullanarak elde edebiliyoruz" dedi. "Bu tamamen yeni bir fotonik cihaz türü. Frekansları 100 gigahertz'den daha büyük miktarlarda değiştirmeye yönelik önceki girişimler çok zor ve pahalıydı, bu da eşit büyüklükte bir mikrodalga sinyali gerektiriyordu."
Lončar, "Bu çalışma, entegre lityum niyobat fotoniklerindeki önceki tüm geliştirmelerimizle mümkün oldu" dedi. "Frekans alanındaki bilgileri verimli, kompakt ve ölçeklenebilir bir şekilde işleme yeteneği, kuantum hesaplama, telekomünikasyon, radar, optik sinyal işleme ve spektroskopi dahil olmak üzere büyük ölçekli fotonik devreler için gider ve kaynak gereksinimlerini önemli ölçüde azaltma potansiyeline sahiptir. ”
Görünür ışığı modüle etme
Columbia Üniversitesi'ndeki araştırmacılar bir optik faz modülatörü karartma olmadan manipüle edebilen görünür dalga boyu ışığı için.
Optik faz modülatörleri, bir ışık dalgasının fazını kontrol eder ve ışığı farklı dalga kılavuzu bağlantı noktalarına yönlendiren çip üstü optik anahtarlarda kullanılır. Bununla birlikte, hem şeffaflık hem de yüksek derecede ayarlanabilirlik sunan malzemelerin eksikliğinden dolayı görünür aralık faz modülatörlerinin yapılması zordur. En uygun malzemelerden ikisi silikon nitrür ve lityum niyobattır; bunlar görünür ışığa karşı oldukça şeffaf olmakla birlikte, ayarlanabilme özelliğinden yoksundur, yani bunlara dayalı aygıtlar büyük ve güç tüketirler.
Araştırmacıların yaklaşımı, görünür spektrumlu bir faz modülatörünün hem boyutunu hem de güç tüketimini bir milimetreden 10 mikrona ve π faz ayarlaması için onlarca milivattan bir milivatın altına düşürmek için mikro halka rezonatörleri kullanıyor.
“Genellikle bir şey ne kadar büyükse o kadar iyidir. Ancak entegre cihazlar dikkate değer bir istisnadır, ”diyor Columbia'da uygulamalı fizik doçenti Nanfang Yu. “Işığı bir noktaya hapsetmek ve gücünü çok fazla kaybetmeden onu manipüle etmek gerçekten zor. Bu çalışmada, büyük ölçekli görünür spektrumlu entegre fotoniklerin ufkunu büyük ölçüde genişletecek bir atılım yaptığımız için heyecanlıyız.”
Elektrik mühendisliği profesörü ve Columbia'da uygulamalı fizik profesörü olan Michal Lipson, “Çözümümüzün anahtarı, bir optik rezonatör kullanmak ve onu sözde 'güçlü aşırı-bağlı' rejimde çalıştırmaktı” dedi.
"Güçlü aşırı-bağlı" rejimde, mikro halka ile halkaya ışık besleyen "veri yolu" dalga kılavuzu arasındaki bağlantı kuvvetinin mikro halkanın kaybından en az 10 kat daha güçlü olduğu bir durum. Lipson, "İkincisi, öncelikle cihazın yan duvarlarındaki nano ölçekli pürüzlülükteki optik saçılmadan kaynaklanıyor" dedi. “Mükemmel pürüzsüz yüzeylere sahip fotonik cihazları asla üretemezsiniz.”
“Görünür spektrumun en zor kısmı olan mavi ve yeşil renklerde çalışan en iyi faz modülatörlerimiz sadece beş mikronluk bir yarıçapa sahiptir, π faz ayarı için 0.8 mW güç tüketir ve daha az genlik varyasyonu sunar. %10,” dedi Columbia'da yüksek lisans öğrencisi olan Heqing Huang. "Önceki hiçbir çalışma, görünür dalga boylarında bu kadar kompakt, güç açısından verimli ve düşük kayıplı faz modülatörlerini göstermedi."
Araştırmacılar, elektroniğin entegrasyon derecesine yakın olmasalar da, çalışmalarının fotonik ve elektronik anahtarlar arasındaki boşluğu önemli ölçüde azalttığını belirtiyorlar. Yu, “Önceki modülatör teknolojileri, belirli bir çip ayak izi ve güç bütçesi verildiğinde yalnızca 100 dalga kılavuzu faz modülatörünün entegrasyonuna izin veriyorsa, şimdi bunu 100 kat daha iyi yapabilir ve çok daha karmaşık işlevleri gerçekleştirmek için çip üzerinde 10,000 faz kaydırıcıyı entegre edebiliriz” dedi.
Ekip, adyabatik mikro halkalara dayalı büyük 2B faz kaydırıcı dizilerinden oluşan görünür spektrumlu LIDAR'ı göstermek için çalışıyor. Ayrıca tasarım stratejilerinin, ayak izlerini ve sürücü voltajlarını azaltmak için elektro-optik modülatörlere uygulanabileceğini ve ultraviyole, telekom, orta kızılötesi ve terahertz gibi diğer spektral aralıklarda ve ayrıca diğer rezonatör tasarımlarında da uyarlanabileceğini belirtiyorlar. mikro halkalar.
"Dolayısıyla, çalışmamız, örneğin optik doğrusalsızlığı geliştirmek, yeni lazerler yapmak, yeni kuantum gözlemlemek için, ışık-madde etkileşimlerini geliştirmek için çok çeşitli rezonatör tabanlı cihazlarda güçlü aşırı eşleşme uygulayabilecekleri gelecekteki çabalara ilham verebilir. Lipson, "optik kayıpları aynı anda bastırırken optik etkiler" dedi.
Sonrası Araştırma Bitleri: 22 Mart İlk çıktı Yarıiletken Mühendisliği.
