新型可见光通信加密技术使用手性纳米粒子

一个研究小组开发了一种使用手性纳米粒子的新型高安全性可见光通信加密技术

就像灯塔在茫茫黑暗的大海中提供了一道指路明灯一样，在人类历史上，基于光的信息传输一直是一种至关重要的通信方式。最近，基于可见光的下一代通信技术因其高频和线性而受到关注

它具有与照明系统集成等优点，并且不受传统通信网络的电磁干扰。可见光通信具有高安全性和快速传输速度，特别适用于本地通信系统，特别是在涉及车辆、无人机和人员的军事行动中

除了强度和波长（颜色）外，光还可以通过偏振携带大量信息。例如，3D电影使用偏振滤镜将两种不同的偏振图像传递给观众的眼睛，创造出一种深度感

最近，人们努力提高可见光通信的安全性和性能，包括引入与偏振相关的技术，如基于偏振叠加的量子信息通信

SNU-KAIST联合研究小组专注于如何通过与纳米材料的相互作用显著调节光偏振。在这项研究中，他们开发了一种基于新材料的创新可见光通信加密技术。该论文发表在《自然通讯》杂志上

这项技术的核心在于手性纳米材料，当在镜子中观察时，它表现出对称的结构，但不重叠。这些材料可以显著调节偏振轴的倾斜或其旋转特性

此前，研究小组在2018年和2022年的《自然》杂志上发表了两篇关于“具有世界级偏振控制性能的手性纳米粒子的合成和光学器件应用”的论文，现在他们引入了一种可见光通信加密技术，如果没有关于纳米粒子的详细信息，该技术就无法复制或拦截

该技术中使用的手性纳米粒子是通过使用具有天然手性的蛋白质和DNA等生物分子扭曲其晶体结构而产生的。如果没有合成中使用的生物分子的完整序列信息，这些纳米粒子的光学性质就无法复制

因此，手性纳米粒子在可见光通信中的作用类似于指纹或不可克隆的钥匙，只允许具有实际纳米粒子的接收器正确解码信息。这种加密技术有望在安全的点对点通信系统中发挥重要作用，例如在涉及无人机的军事行动中使用的通信系统

此外，研究小组开发了一种能够传输加密偏振信息的时空偏振控制设备。通过将有效发射偏振光的量子纳米棒与为光提供旋转特性的纳米线材料相结合，他们使用3D打印制造了一种具有数百微米空间分辨率和纳秒时间分辨率的偏振控制器件，从而可以不受限制地表示所有偏振态

发射单元可以使用该设备以适合纳米颗粒偏振控制特性的形式加密和传输偏振信息。这项技术有望成为大规模生产可以控制时空极化而不受形状因素限制的设备的基础

首尔国立大学材料科学与工程系的Ki Tae-Nam教授说：“这项研究积极将新材料技术与通信技术相结合，在开发世界上第一个也是唯一一个可见光通信加密技术方面发挥了关键作用。我们希望这项技术不仅有助于国防，而且在显示技术等工业领域迅速商业化。”>

共同第一作者郑贤汉也表示，“我们预计该加密系统将成为基于偏振的光信息传输领域具有巨大可扩展性和影响力的平台。”

该团队由首尔国立大学材料科学与工程系的Nam教授和韩国科学技术院（KAIST）的Choi教授领导 More information: Jiawei Lv et al, Spatiotemporally modulated full-polarized light emission for multiplexed optical encryption, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52358-7

Journal information: Nature Communications , Nature