Vista superior dos nós emoldurados gerados neste trabalho. Crédito:Universidade de Ottawa
Em uma estreia mundial, pesquisadores da Universidade de Ottawa, em colaboração com cientistas israelenses, conseguiram criar nós com moldura ótica em laboratório que poderiam ser aplicados em tecnologias modernas. Seu trabalho abre a porta para novos métodos de distribuição de chaves criptográficas secretas - usadas para criptografar e descriptografar dados, garantir uma comunicação segura e proteger as informações privadas. O grupo publicou recentemente suas descobertas em Nature Communications .
"Isso é fundamentalmente importante, em particular de uma perspectiva focada na topologia, uma vez que os nós estruturados fornecem uma plataforma para cálculos quânticos topológicos, "explicou o autor sênior, Professor Ebrahim Karimi, Canada Research Chair in Structured Light da University of Ottawa.
"Além disso, usamos essas estruturas ópticas não triviais como portadores de informação e desenvolvemos um protocolo de segurança para comunicação clássica, onde a informação é codificada dentro desses nós emoldurados. "
O conceito
Os pesquisadores sugerem uma lição simples do tipo faça você mesmo para nos ajudar a entender melhor os nós emoldurados, aqueles objetos tridimensionais que também podem ser descritos como uma superfície.
"Pegue uma tira estreita de papel e tente fazer um nó, "disse o primeiro autor Hugo Larocque, ex-aluno do uOttawa e atual Ph.D. estudante do MIT.
"O objeto resultante é conhecido como um nó emoldurado e tem características matemáticas muito interessantes e importantes."
O grupo tentou obter o mesmo resultado, mas dentro de um feixe óptico, que apresenta um maior nível de dificuldade. Depois de algumas tentativas (e nós que mais pareciam cordas com nós), o grupo encontrou o que procurava:uma estrutura de fita com nós que é a quintessência dos nós emoldurados.
Esquema de criptografia de uma trança emoldurada dentro de um nó emoldurado. O nó junto com um par de números pode ser usado para recuperar a trança criptografada por meio de um procedimento baseado na fatoração de primos. Crédito:Universidade de Ottawa
"Para adicionar esta fita, nosso grupo se baseou em técnicas de modelagem de feixe para manipular a natureza vetorial da luz, "explicou Hugo Larocque." Ao modificar a direção de oscilação do campo de luz ao longo de um nó óptico "sem moldura", fomos capazes de atribuir um quadro a este último "colando" as linhas traçadas por esses campos oscilantes. "
De acordo com os pesquisadores, feixes de luz estruturados estão sendo amplamente explorados para codificar e distribuir informações.
"Até aqui, essas aplicações foram limitadas a quantidades físicas que podem ser reconhecidas pela observação do feixe em uma determinada posição, "disse uOttawa Postdoctoral Fellow e co-autor deste estudo, Dr. Alessio D'Errico.
"Nosso trabalho mostra que o número de torções na orientação da fita em conjunto com a fatoração de números primos pode ser usado para extrair a chamada" representação de trança "do nó."
"As características estruturais desses objetos podem ser usadas para especificar programas de processamento de informações quânticas, "acrescentou Hugo Larocque." Numa situação em que este programa gostaria de ser mantido em segredo enquanto o divulgava entre várias partes, seria necessário um meio de criptografar essa "trança" e depois decifrá-la. Nosso trabalho aborda essa questão propondo o uso de nosso nó de moldura óptica como um objeto de criptografia para esses programas que podem ser posteriormente recuperados pelo método de extração de tranças que também introduzimos. "
"Pela primeira vez, essas complicadas estruturas 3-D foram exploradas para desenvolver novos métodos para a distribuição de chaves criptográficas secretas. Além disso, há um grande e amplo interesse na exploração de conceitos topológicos em computação quântica, comunicação e eletrônica livre de dissipação. Os nós são descritos por propriedades topológicas específicas também, que não foram considerados até agora para protocolos criptográficos. "
Renderização da estrutura reconstruída de um nó trifólio emoldurado gerado dentro de um feixe óptico. Crédito:Universidade de Ottawa
As origens
A ideia por trás do projeto surgiu em 2018, durante uma discussão com pesquisadores israelenses em um encontro científico em Creta, Grécia.
Cientistas da Universidade Ben-Gurion do Negev e da Universidade Bar-Ilan, em Israel, desenvolveu o protocolo de codificação de número primo.
O projeto então cruzou o Mar Mediterrâneo e o Oceano Atlântico antes de terminar no laboratório do Dr. Karimi, localizado no Complexo de Pesquisa Avançada da Universidade de Ottawa. É onde o procedimento experimental foi desenvolvido e conduzido. Os dados resultantes foram então analisados, e a estrutura da trança extraída por meio de um programa especialmente desenvolvido.
Os aplicativos
"As tecnologias atuais nos dão a possibilidade de manipular, com alta precisão, as diferentes características que caracterizam um feixe de luz, como intensidade, Estágio, comprimento de onda e polarização, "disse Hugo Larocque." Isso permite codificar e decodificar informações com métodos totalmente ópticos. Protocolos criptográficos quânticos e clássicos foram desenvolvidos explorando esses diferentes graus de liberdade. "
"Nosso trabalho abre caminho para o uso de estruturas topológicas mais complexas ocultas na propagação de um feixe de laser para distribuição de chaves criptográficas secretas."
"Além disso, as técnicas experimentais e teóricas que desenvolvemos podem ajudar a encontrar novas abordagens experimentais para computação quântica topológica, que promete superar as questões relacionadas ao ruído nas atuais tecnologias de computação quântica, "acrescentou o Dr. Ebrahim Karimi.
O artigo "Nós emoldurados ópticos como portadores de informação" foi publicado recentemente em Nature Communications .
