Os dados viajam por milhares de quilômetros de cabos de fibra ótica sob os oceanos do mundo - por meio de pulsos de luz. E de acordo com especialistas, os dados nesses cabos correm grande risco de serem interceptados. Contudo, um pente de frequência recém-projetado - recentemente desenvolvido por pesquisadores da Escola de Engenharia de Viterbi da USC pode ser uma ferramenta eficaz para criptografia de dados.

Pesquisadores Andrea M. Armani, Xiaoqin Shen, Rigoberto Castro Beltran, Vinh M. Diep, e Soheil Soltani inventaram um novo método para criar um pente de frequência - uma ferramenta que aumenta as aplicações potenciais de lasers, convertendo um único comprimento de onda em vários comprimentos de onda, efetivamente criando dezenas a centenas de lasers a partir de um único laser. O novo pente de frequência é do tamanho de um cabelo humano em comparação com os pentes de frequência tradicionais que podem ser tão grandes quanto uma geladeira de apartamento. Mais importante, o pente recém-gerado requer 1000x menos energia para operar, permitindo aplicativos móveis.

O atual estado da arte depende de sistemas de materiais tradicionalmente usados ​​em microeletrônica, como o silício. Ao substituir esses materiais por moléculas orgânicas ou à base de carbono, a equipe de pesquisa liderada pelo pós-doutorado buscou uma abordagem fundamentalmente diferente. Anexar apenas uma única camada de uma molécula orgânica de 25 átomos à superfície de um laser, pentes de frequência foram demonstrados com redução de 1000x na potência.

Professor Armani, a cadeira Ray Irani em Engenharia e Ciências de Materiais na Escola de Engenharia USC Viterbi, compara a mudança de silício convencional para materiais orgânicos como análoga à mudança de "gás para elétrico". No nível mais básico, o processo que permite a geração do favo é nitidamente diferente nas duas classes de materiais.

"Os materiais ópticos orgânicos já transformaram a indústria eletrônica, levando a mais leve, TVs de baixa potência e telas de celulares, mas as tentativas anteriores de fazer a interface direta desses materiais com lasers tropeçaram, "disse Armani, "Resolvemos o desafio da interface. Como nossa abordagem pode ser aplicada a uma ampla variedade de materiais orgânicos e tipos de laser, as possibilidades futuras são muito empolgantes. "

Oportunidade para criptografia óptica de dados

As primeiras aplicações de pentes de frequência se concentraram na detecção de traços de produtos químicos e na cronometragem de alta precisão. Contudo, recentemente, surgiu uma nova aplicação de grande significado para a sociedade:a criptografia quântica.

Termos como cibersegurança e criptografia quântica costumavam ser os enredos de thrillers de ação e filmes de Bond, mas com o advento das criptomoedas e da IoT, a consciência da cibersegurança mudou da tela prateada para o mainstream. Como os combs de frequência podem contribuir? A resposta está em como os dados são transmitidos e como funciona a criptografia quântica.

Quando um sinal de dados está viajando para seu destino, é embalado como uma carta em um envelope fechado. Assim como qualquer fechadura, alguns são mais fáceis de quebrar do que outros, e os esforços atuais de criptografia têm se concentrado na criação de bloqueios cada vez mais complexos e dinâmicos. Contudo, uma limitação fundamental com muitas abordagens atuais é que não é possível detectar quando uma criptografia falhou.

A criptografia quântica apresenta uma abordagem alternativa. Não só as chaves mais complexas podem ser implementadas, mas as intrusões são imediatamente aparentes por meio de mudanças no sinal de dados transmitido.

Embora muitas estratégias estejam sendo buscadas para permitir a criptografia quântica, um dos principais contendores é baseado em um fenômeno denominado emaranhamento de fótons. Os pares emaranhados de fótons devem ser criados exatamente ao mesmo tempo, com exatamente as mesmas propriedades. Parece impossível? Insira os combs de frequência.

A primeira etapa na formação do pente de frequência ocorre quando o laser primário gera um par secundário de comprimentos de onda. Contudo, por causa da conservação de energia, um comprimento de onda deve ter energia mais alta e um comprimento de onda deve ter energia mais baixa. Adicionalmente, as energias devem somar para serem exatamente iguais ao laser primário, e os dois novos comprimentos de onda devem aparecer exatamente ao mesmo tempo. Assim, os geradores de pente de frequência podem ser vistos como geradores de fótons emaranhados.

Embora a redução do tamanho e dos requisitos de energia do pente de frequência fossem os principais obstáculos técnicos, ainda existem muitos desafios de integração e fabricação antes que a criptografia quântica em plataformas portáteis se torne comum.

Armani, membro do corpo docente do novo USC Michelson Center for Convergent Bioscience, indicou que, além do papel importante que a criptografia quântica poderia desempenhar na proteção de nossas informações de saúde no futuro, pentes de frequência também estão sendo usados ​​para melhorar a detecção de biomarcadores de câncer.

O estudo completo "Oscilação paramétrica de baixo limiar em microcavidades modificadas organicamente" está disponível em Avanços da Ciência .