Investigadores crean nudos ópticos enmarcados para codificar información

Por primera vez en el mundo, los investigadores de la Universidad de Ottawa en colaboración con científicos israelíes han podido crear nudos ópticos enmarcados en el laboratorio que podrían potencialmente aplicarse en tecnologías modernas. Su trabajo abre la puerta a nuevos métodos de distribución de claves criptográficas secretas, que se utilizan para cifrar y descifrar datos, garantizar una comunicación segura y proteger la información privada. El grupo publicó recientemente sus hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza.

“Esto es fundamentalmente importante, en particular desde una perspectiva centrada en la topología, ya que los nudos enmarcados proporcionan una plataforma para los cálculos cuánticos topológicos”, explicó el autor principal, el profesor Ebrahim Karimi, catedrático de investigación de Canadá en luz estructurada en la Universidad de Ottawa.

“Además, usamos estas estructuras ópticas no triviales como portadores de información y desarrollamos un protocolo de seguridad para la comunicación clásica donde la información se codifica dentro de estos nudos enmarcados”.

El concepto

Los investigadores sugieren una lección simple de bricolaje para ayudarnos a comprender mejor los nudos enmarcados, esos objetos tridimensionales que también pueden describirse como una superficie.

“Tome una tira estrecha de un papel y trate de hacer un nudo”, dijo el primer autor Hugo Larocque, ex alumno de uOttawa y actual estudiante de doctorado en el MIT.

“El objeto resultante se conoce como un nudo enmarcado y tiene características matemáticas muy interesantes e importantes”.

El grupo trató de lograr el mismo resultado pero dentro de un haz óptico, que presenta un mayor nivel de dificultad. Después de algunos intentos (y nudos que parecían más cuerdas anudadas), el grupo encontró lo que estaban buscando: una estructura de cinta anudada que es esencial para los nudos enmarcados.

“Para agregar esta cinta, nuestro grupo se basó en técnicas de modelado de rayos que manipulan la naturaleza vectorial de la luz”, explicó Hugo Larocque. “Al modificar la dirección de oscilación del campo de luz a lo largo de un nudo óptico” sin marco “, pudimos asignar un marco a este último” pegando “las líneas trazadas por estos campos oscilantes”.

Según los investigadores, los haces de luz estructurados están siendo ampliamente explotados para codificar y distribuir información.

“Hasta ahora, estas aplicaciones se han limitado a cantidades físicas que se pueden reconocer al observar el rayo en una posición determinada”, dijo el becario postdoctoral de uOttawa y coautor de este estudio, el Dr. Alessio D’Errico.

“Nuestro trabajo muestra que el número de giros en la orientación de la cinta junto con la factorización de números primos se puede utilizar para extraer la llamada” representación trenzada “del nudo”.

“Las características estructurales de estos objetos se pueden utilizar para especificar programas de procesamiento de información cuántica”, agregó Hugo Larocque. “En una situación en la que este programa quisiera mantenerse en secreto mientras se difunde entre varias partes, se necesitaría un medio para encriptar esta” trenza “y luego descifrarla. Nuestro trabajo aborda este problema proponiendo usar nuestro nudo con marco óptico como un objeto de cifrado para estos programas que luego se puede recuperar mediante el método de extracción de trenzas que también presentamos “.

“Por primera vez, estas complicadas estructuras 3D han sido explotadas para desarrollar nuevos métodos para la distribución de claves criptográficas secretas. Además, existe un amplio y fuerte interés en explotar conceptos topológicos en computación cuántica, comunicación y electrónica libre de disipación. Nudos también se describen por propiedades topológicas específicas, que hasta ahora no se tenían en cuenta para los protocolos criptográficos “.

Los origenes

La idea detrás del proyecto surgió en 2018, durante una discusión con investigadores israelíes en una reunión científica en Creta, Grecia.

Científicos de la Universidad Ben-Gurion del Negev y la Universidad Bar-Ilan, en Israel, desarrollaron el protocolo de codificación de números primos.

Luego, el proyecto cruzó el Mar Mediterráneo y el Océano Atlántico antes de terminar en el laboratorio del Dr. Karimi ubicado en el Complejo de Investigación Avanzada de la Universidad de Ottawa. Ahí es donde se desarrolló y realizó el procedimiento experimental. A continuación, se analizaron los datos resultantes y se extrajo la estructura de la trenza mediante un programa especialmente diseñado.

Las aplicaciones

“Las tecnologías actuales nos brindan la posibilidad de manipular, con alta precisión, las diferentes características que caracterizan a un haz de luz, como intensidad, fase, longitud de onda y polarización”, dijo Hugo Larocque. “Esto permite codificar y decodificar información con métodos totalmente ópticos. Se han ideado protocolos criptográficos cuánticos y clásicos aprovechando estos diferentes grados de libertad”.

“Nuestro trabajo abre el camino al uso de estructuras topológicas más complejas ocultas en la propagación de un rayo láser para distribuir claves criptográficas secretas”.

“Además, las técnicas experimentales y teóricas que desarrollamos pueden ayudar a encontrar nuevos enfoques experimentales para la computación cuántica topológica, que promete superar los problemas relacionados con el ruido en las tecnologías de computación cuántica actuales”, agregó el Dr. Ebrahim Karimi.

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