Bảo mật thông tin liên lạc không dây mà không cần mã hóa
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Princeton, Đại học Michigan-Viện Liên kết Đại học Giao thông Thượng Hải và Đại học Giao thông Tây An đã phát triển một chip không dây sóng milimet cho phép truyền không dây an toàn và khiến việc nghe trộm đường truyền không dây tần số cao trở nên khó khăn, ngay cả khi có nhiều kẻ xấu cấu kết với nhau.
Con chip này, được chế tạo bằng các quy trình đúc tiêu chuẩn, có thể ngăn chặn sự đánh chặn mà không làm giảm độ trễ, hiệu quả và tốc độ của mạng 5G.
Kaushik Sengupta, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Princeton cho biết: “Chúng ta đang ở trong một kỷ nguyên mới của không dây — các mạng của tương lai sẽ ngày càng phức tạp trong khi phục vụ một loạt các ứng dụng khác nhau đòi hỏi các tính năng rất khác nhau. . “Hãy nghĩ đến các cảm biến thông minh công suất thấp trong nhà bạn hoặc trong một ngành công nghiệp, thực tế tăng cường băng thông cao hoặc thực tế ảo và ô tô tự lái. Để phục vụ điều này và phục vụ tốt điều này, chúng ta cần suy nghĩ về an ninh một cách tổng thể và ở mọi cấp độ ”.
Thay vì sử dụng mã hóa, phương pháp này tự định hình đường truyền để ngăn chặn việc nghe trộm. Nó sử dụng nhiều ăng-ten hoạt động như một mảng để tạo ra các sóng vô tuyến gây nhiễu lẫn nhau. Một loạt các ăng-ten có thể sử dụng sự giao thoa này để hướng truyền dẫn theo một đường dẫn xác định. Nhưng bên cạnh đường truyền chính còn có các đường truyền phụ. Các đường truyền thứ cấp này yếu hơn đường truyền chính, nhưng trong một hệ thống điển hình, chúng chứa cùng một tín hiệu chính xác như đường dẫn chính. Bằng cách khai thác các đường dẫn này, những kẻ nghe trộm tiềm năng có thể làm tổn hại đến đường truyền.
Nhóm nghiên cứu đã có thể làm cho tín hiệu tại vị trí của những kẻ nghe trộm có vẻ giống với tiếng ồn. Để làm điều này, họ cắt nhỏ thông báo một cách ngẫu nhiên và gán các phần khác nhau của thông báo cho các tập hợp con của các ăng-ten trong mảng. Các nhà nghiên cứu đã có thể điều phối việc truyền để chỉ một máy thu theo hướng đã định mới có thể tập hợp tín hiệu theo đúng thứ tự. Ở mọi nơi khác, các tín hiệu bị cắt nhỏ đến theo cách giống như tiếng ồn.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra hệ thống này trong một con chip có thể được sản xuất trong một xưởng đúc chip tiêu chuẩn. (Hình ảnh của Đại học Princeton)
Sengupta đã so sánh kỹ thuật này với việc cắt nhỏ một bản nhạc trong phòng hòa nhạc. “Hãy tưởng tượng trong một phòng hòa nhạc, khi chơi bản giao hưởng số 9 của Beethoven, mọi nhạc cụ, thay vì chơi tất cả các nốt của bản nhạc, lại quyết định chơi các nốt được chọn ngẫu nhiên. Họ chơi những nốt này vào những thời điểm chính xác, và giữ im lặng giữa chúng, sao cho mỗi nốt trong bản gốc được chơi bởi ít nhất một nhạc cụ. Khi các sóng âm thanh mang những nốt nhạc này từ tất cả các nhạc cụ truyền qua hội trường, tại một vị trí nhất định, chúng có thể được thực hiện để đến một cách chính xác theo đúng kiểu. Người nghe ngồi ở đó sẽ thưởng thức bản nhạc gốc như thể không có gì thay đổi. Những người khác sẽ nghe thấy một bản nhạc thiếu các nốt nhạc đến vào những thời điểm ngẫu nhiên, gần giống như tiếng ồn. Về nguyên tắc, đây là nước sốt bí mật đằng sau bảo mật đường truyền —được kích hoạt bởi sự điều biến thời gian và không gian chính xác của các trường điện từ tần số cao này. "
Nếu kẻ nghe trộm cố gắng can thiệp vào đường truyền chính, nó sẽ gây ra các vấn đề có thể phát hiện được đối với người nhận dự định.
Trong khi nhiều người nghe trộm có thể làm việc cùng nhau để thu thập các tín hiệu giống như tiếng ồn và cố gắng tập hợp chúng lại thành một đường truyền thống nhất, số lượng người nhận cần thiết để làm điều đó sẽ “cực kỳ lớn”, Sengupta nói. “Lần đầu tiên chúng tôi cho thấy có thể ghép một số chữ ký giống tiếng ồn vào tín hiệu ban đầu bằng cách thông đồng với những kẻ nghe trộm áp dụng AI, nhưng nó rất khó khăn. Và chúng tôi cũng đã chỉ ra các kỹ thuật làm thế nào mà máy phát có thể đánh lừa họ. Đó là một trò chơi mèo vờn chuột ”.
Sengupta cho biết cũng có thể sử dụng mã hóa cùng với hệ thống mới để tăng cường bảo mật. “Bạn vẫn có thể mã hóa trên nó nhưng bạn có thể giảm bớt gánh nặng cho việc mã hóa với một lớp bảo mật bổ sung. Đó là một cách tiếp cận miễn phí. ”
Bộ dịch tần trên chip
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Harvard đã phát triển bộ dịch tần trên chip có thể chuyển đổi ánh sáng trong dải tần số gigahertz. Bộ dịch tần được điều khiển bằng cách sử dụng vi sóng đơn âm và liên tục.
Marko Lončar, giáo sư kỹ thuật điện tại Harvard SEAS cho biết: “Bộ dịch tần của chúng tôi có thể trở thành một khối xây dựng cơ bản cho các hệ thống truyền thông cổ điển quy mô lớn, tốc độ cao cũng như các máy tính lượng tử quang tử mới nổi.
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo hai loại bộ dịch tần trên chip trên nền tảng lithium niobate. Các nhà nghiên cứu trước đây đã chứng minh kỹ thuật chế tạo vi cấu trúc liti niobate hiệu suất cao bằng cách sử dụng phương pháp khắc plasma tiêu chuẩn để điêu khắc vật lý các vi cấu trúc trong màng liti niobate mỏng.
Trong công trình mới nhất, họ đã khắc các bộ cộng hưởng vòng và ống dẫn sóng được ghép nối trên liti niobate màng mỏng. Trong thiết bị đầu tiên, hai bộ cộng hưởng được ghép nối tạo thành một cấu trúc giống như hình số tám. Ánh sáng đầu vào đi từ ống dẫn sóng qua các bộ cộng hưởng theo hình số tám, đi vào dưới dạng một màu và nổi lên như một màu khác. Thiết bị này cung cấp dịch chuyển tần số cao tới 28 gigahertz với hiệu suất khoảng 90%. Nó cũng có thể được cấu hình lại như bộ tách chùm miền tần số có thể điều chỉnh được, trong đó một chùm tần số được tách thành hai chùm tần số khác.
Thiết bị thứ hai sử dụng ba bộ cộng hưởng ghép: một bộ cộng hưởng vòng nhỏ, một bộ cộng hưởng hình bầu dục dài được gọi là bộ cộng hưởng đường đua và một bộ cộng hưởng hình chữ nhật. Khi tốc độ ánh sáng xung quanh bộ cộng hưởng của đường đua, nó chuyển thành tần số cao hơn và cao hơn, dẫn đến sự thay đổi cao tới 120 gigahertz.
Yaowen Hu, trợ lý nghiên cứu tại Harvard SEAS, cho biết: “Chúng tôi có thể đạt được mức độ dịch chuyển tần số này chỉ bằng một tín hiệu vi sóng 30 gigahertz. “Đây là một loại thiết bị quang tử hoàn toàn mới. Những nỗ lực trước đây để thay đổi tần số bằng lượng lớn hơn 100 gigahertz là rất khó khăn và tốn kém, đòi hỏi một tín hiệu vi sóng lớn tương đương ”.
Lončar cho biết: “Công việc này có thể thực hiện được nhờ tất cả những phát triển trước đây của chúng tôi về quang tử niobate lithium tích hợp. “Khả năng xử lý thông tin trong miền tần số theo cách hiệu quả, nhỏ gọn và có thể mở rộng có khả năng giảm đáng kể chi phí và yêu cầu tài nguyên cho các mạch quang tử quy mô lớn, bao gồm điện toán lượng tử, viễn thông, radar, xử lý tín hiệu quang học và quang phổ . ”
Điều chỉnh ánh sáng khả kiến
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia đã phát triển một bộ điều biến pha quang học đối với ánh sáng có bước sóng nhìn thấy có thể thao tác với nó mà không bị mờ.
Bộ điều biến pha quang học điều khiển pha của sóng ánh sáng và được sử dụng trong các công tắc quang học trên chip để chuyển ánh sáng vào các cổng ống dẫn sóng khác nhau. Tuy nhiên, rất khó chế tạo bộ điều biến pha phạm vi nhìn thấy do thiếu vật liệu cung cấp cả độ trong suốt và khả năng phân tích cao. Hai trong số các vật liệu phù hợp nhất là silicon nitride và lithium niobate, mặc dù có độ trong suốt cao đối với ánh sáng nhìn thấy, nhưng không có nhiều khả năng kiểm soát, có nghĩa là các thiết bị dựa trên chúng rất lớn và ngốn điện.
Phương pháp tiếp cận của các nhà nghiên cứu sử dụng bộ cộng hưởng vòng vi mô để giảm cả kích thước và mức tiêu thụ điện năng của bộ điều biến pha phổ khả kiến, từ một milimét đến 10 micrômét và từ hàng chục miliwat để điều chỉnh pha π xuống dưới một miliwatt.
“Thường thì cái gì càng lớn càng tốt. Nhưng các thiết bị tích hợp là một ngoại lệ đáng chú ý, ”Nanfang Yu, phó giáo sư vật lý ứng dụng tại Columbia, cho biết. “Thực sự rất khó để giới hạn ánh sáng vào một chỗ và điều khiển nó mà không làm mất nhiều sức mạnh của nó. Chúng tôi rất vui mừng rằng trong công trình này, chúng tôi đã tạo ra một bước đột phá giúp mở rộng đáng kể chân trời của các quang tử tích hợp phổ khả kiến quy mô lớn. ”
Michal Lipson, giáo sư kỹ thuật điện và giáo sư vật lý ứng dụng tại Columbia cho biết: “Chìa khóa cho giải pháp của chúng tôi là sử dụng một bộ cộng hưởng quang học và vận hành nó trong cái gọi là chế độ“ kết hợp quá mạnh ”.
Trong chế độ “ghép quá mạnh”, điều kiện trong đó cường độ ghép nối giữa vi vòng và ống dẫn sóng “bus” đưa ánh sáng vào vòng mạnh hơn ít nhất 10 lần so với suy hao vi vòng. “Điều thứ hai chủ yếu là do sự tán xạ quang học ở độ nhám nano trên thành bên của thiết bị,” Lipson nói. “Bạn không bao giờ có thể chế tạo các thiết bị quang tử có bề mặt hoàn toàn nhẵn.”
“Bộ điều biến pha tốt nhất của chúng tôi hoạt động ở các màu xanh lam và xanh lục, là phần khó nhìn thấy nhất của quang phổ nhìn thấy, có bán kính chỉ 0.8 micron, tiêu thụ công suất 10 mW để điều chỉnh pha π và tạo ra sự biến thiên biên độ nhỏ hơn XNUMX%, ”Heqing Huang, một nghiên cứu sinh tại Columbia, cho biết. “Không có công trình nào trước đây chứng minh được bộ điều biến pha nhỏ gọn, tiết kiệm điện và tổn hao thấp như vậy ở bước sóng khả kiến.”
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng mặc dù họ không ở gần mức độ tích hợp của thiết bị điện tử, nhưng công việc của họ đã thu hẹp đáng kể khoảng cách giữa công tắc quang tử và công tắc điện tử. Yu cho biết: “Nếu các công nghệ bộ điều chế trước đây chỉ cho phép tích hợp 100 bộ điều biến pha ống dẫn sóng với diện tích chip nhất định và ngân sách năng lượng, thì giờ đây chúng tôi có thể làm điều đó tốt hơn gấp 100 lần và tích hợp 10,000 bộ chuyển pha trên chip để thực hiện các chức năng phức tạp hơn nhiều”, Yu nói.
Nhóm đang làm việc để chứng minh LIDAR phổ khả kiến bao gồm các mảng 2D lớn của bộ chuyển pha dựa trên các vi vòng đoạn nhiệt. Họ cũng lưu ý rằng các chiến lược thiết kế có thể được áp dụng cho bộ điều biến điện quang để giảm dấu chân và điện áp truyền động của chúng và có thể được điều chỉnh trong các dải quang phổ khác như tia cực tím, viễn thông, hồng ngoại trung bình và terahertz, cũng như trong các thiết kế bộ cộng hưởng khác ngoài vòng vi.
“Do đó, công việc của chúng tôi có thể truyền cảm hứng cho nỗ lực trong tương lai, nơi mọi người có thể thực hiện ghép nối quá mạnh mẽ trong một loạt các thiết bị dựa trên máy cộng hưởng để tăng cường tương tác vật chất ánh sáng, chẳng hạn như để tăng cường phi tuyến quang học, để tạo ra các tia laser mới, để quan sát lượng tử mới Hiệu ứng quang học, đồng thời triệt tiêu các tổn thất quang học, ”Lipson nói.
Các bài viết Nghiên cứu Bits: ngày 22 tháng XNUMX xuất hiện đầu tiên trên Kỹ thuật bán dẫn.
