Les données voyagent à travers des milliers de kilomètres de câbles à fibres optiques sous les océans du monde, via des impulsions lumineuses. Et selon les experts, les données contenues dans ces câbles risquent fort d'être interceptées. Cependant, un peigne de fréquence nouvellement conçu, récemment développé par des chercheurs de l'USC Viterbi School of Engineering, pourrait être un outil efficace pour le cryptage des données.

Chercheurs Andrea M. Armani, Xiaoqin Shen, Rigoberto Castro Beltran, Vinh M. Diep, et Soheil Soltani ont inventé une nouvelle méthode pour créer un peigne de fréquence, un outil qui augmente les applications potentielles des lasers en convertissant une seule longueur d'onde en plusieurs longueurs d'onde, créant efficacement des dizaines à des centaines de lasers à partir d'un seul laser. Le nouveau peigne à fréquence a la taille d'un cheveu humain par rapport aux peignes à fréquence traditionnels qui peuvent être aussi grands qu'un réfrigérateur d'appartement. Plus important, le peigne nouvellement généré nécessite 1000 fois moins d'énergie pour fonctionner, permettant des applications mobiles.

L'état de l'art actuel repose sur des systèmes matériels traditionnellement utilisés en microélectronique, comme le silicium. En remplaçant ces matériaux par des molécules carbonées ou organiques, l'équipe de recherche dirigée par les post-doctorants a poursuivi une approche fondamentalement différente. Fixation d'une seule couche d'une molécule organique de 25 atomes à la surface d'un laser, des peignes de fréquence ont été démontrés avec une réduction de puissance de 1000x.

Professeur Armani, la chaire Ray Irani en ingénierie et sciences des matériaux à l'USC Viterbi School of Engineering, compare le passage du silicium conventionnel aux matériaux organiques comme analogue au passage du « gaz à l'électricité ». Au niveau le plus élémentaire, le processus qui permet de générer le peigne est nettement différent dans les deux classes de matériaux.

"Les matériaux optiques organiques ont déjà transformé l'industrie électronique, conduisant à plus léger, téléviseurs et écrans de téléphones portables à faible consommation, mais les tentatives précédentes d'interfacer directement ces matériaux avec des lasers ont trébuché, " dit Armani, « Nous avons résolu le défi de l'interface. Parce que notre approche peut être appliquée à une large gamme de matériaux organiques et de types de laser, les possibilités futures sont très excitantes."

Possibilité de cryptage optique des données

Les premières applications des peignes de fréquence se sont concentrées sur la détection de traces de produits chimiques et le chronométrage de haute précision. Cependant, récemment, une nouvelle application d'une grande importance pour la société a émergé :la cryptographie quantique.

Des termes comme la cybersécurité et le cryptage quantique étaient autrefois les intrigues des thrillers d'action et des films Bond, mais avec l'avènement des crypto-monnaies et de l'IoT, la prise de conscience de la cybersécurité est passée du grand écran au grand public. Comment les peignes de fréquence peuvent-ils contribuer ? La réponse réside dans la façon dont les données sont transmises et comment fonctionne la cryptographie quantique.

Lorsqu'un signal de données se rend à sa destination, il est emballé comme une lettre dans une enveloppe verrouillée. Comme toute serrure, certains sont plus faciles à casser que d'autres, et les efforts de cryptage actuels se sont concentrés sur la création de verrous de plus en plus complexes et dynamiques. Cependant, une limitation fondamentale avec de nombreuses approches actuelles est qu'il n'est pas possible de détecter quand un cryptage a échoué.

Le chiffrement quantique présente une approche alternative. Non seulement des clés plus complexes peuvent être implémentées, mais les intrusions sont immédiatement apparentes par des changements dans le signal de données transmis.

Alors que de nombreuses stratégies sont poursuivies pour permettre la cryptographie quantique, l'un des principaux candidats est basé sur un phénomène appelé enchevêtrement de photons. Les paires intriquées de photons doivent être créées exactement au même moment avec exactement les mêmes propriétés. Cela vous semble impossible ? Entrez les peignes de fréquence.

La première étape de formation du peigne de fréquence se produit lorsque le laser primaire génère une paire secondaire de longueurs d'onde. Cependant, en raison de la conservation de l'énergie, une longueur d'onde doit avoir une énergie plus élevée et une longueur d'onde doit avoir une énergie plus faible. En outre, la somme des énergies doit être exactement égale au laser primaire, et les deux nouvelles longueurs d'onde doivent apparaître exactement en même temps. Ainsi, Les générateurs de peignes de fréquence peuvent être considérés comme des générateurs de photons intriqués.

Tout en réduisant la taille et les besoins en puissance du peigne de fréquence étaient des obstacles techniques clés, il reste de nombreux défis d'intégration et de fabrication avant que la cryptographie quantique sur les plates-formes portables ne devienne monnaie courante.

Armani, membre du corps professoral du nouveau USC Michelson Center for Convergent Bioscience, a indiqué qu'en plus du rôle important que le cryptage quantique pourrait jouer dans la sécurisation de nos informations de santé à l'avenir, les peignes de fréquence sont également utilisés pour améliorer la détection des biomarqueurs du cancer.

L'étude complète « Oscillation paramétrique à bas seuil dans les microcavités organiquement modifiées » est disponible en Avancées scientifiques .