Защита беспроводной связи в устройствах нового поколения

Исследователи Массачусетского технологического института преодолели серьезную проблему, сдерживающую внедрение микроволновых квантовых технологий в реальном мире для усовершенствованной обработки сигналов и безопасной связи.

Команда разработала масштабируемую платформу, которая генерирует пары высокочастотных волн с высокой корреляцией, без необходимости в громоздком и дорогом охлаждающем оборудовании. В квантовых технологиях эти связанные радиоволны могут использоваться для помехоустойчивой связи, высокоточных радаров и зондирования. Однако, как правило, они генерируются только в исследовательских лабораториях в условиях экстремально низких температур.

Исследователи Массачусетского технологического института создали небольшое электронное устройство, способное генерировать один и тот же тип сигналов с высокой степенью корреляции при комнатной температуре.

Устройство состоит из магнитной пленки, которая взаимодействует с микроволновой энергией внутри металлической полости, разделяя входящий сигнал на два связанных выходных сигнала. Исследователи использовали устройство для демонстрации защищенной связи, кодируя информацию в сигнале, который можно было восстановить только с помощью аналогового сигнала.

"Мы показали, как квантовые свойства магнитов могут быть использованы для реализации новых технологий связи и обнаружения. Я надеюсь, что наша демонстрация этой платформы позволит продолжить разработку квантовых симуляторов при комнатной температуре, которые обладают огромным потенциалом для многих будущих открытий", - говорит Цююань Ван, аспирант кафедры электротехники и компьютерных наук (EECS) и ведущий автор статьи, посвященной этому методу.

К Вану в работе присоединились Аравинд Картигеян, аспирант Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн; Чунг-Тао Чоу, постдок Массачусетского технологического института; и старший автор Люцяо Лю, доцент кафедры EECS и сотрудник исследовательской лаборатории электроники. Результаты исследования опубликованы сегодня в журнале Nature Electronics.

Синхронизированные сигналы

Микроволновые фотоны - это элементарные частицы, которые формируют сигналы, используемые для беспроводной связи и зондирования.

Ученые могут разделить один микроволновый фотон на два тесно коррелированных фотона, используя устройство, называемое джозефсоновским переходом, которое является элементом сверхпроводящей цепи. Эти связанные микроволновые фотоны могут быть использованы в таких приложениях, как защищенная связь или высокопроизводительные радарные системы, способные обнаруживать чрезвычайно слабые сигналы.

Чтобы обеспечить безопасную связь с использованием этих коррелированных сигналов, инженеры могли бы разработать электронные устройства, которые кодируют данные в одном сигнале, изменяя свойства сигнала таким образом, чтобы информация могла быть декодирована только на другом конце передачи с использованием соответствующего сигнала. Но для эффективной работы сверхпроводящие цепи должны храниться при температуре ниже 273 градусов Цельсия, как правило, внутри громоздкого, дорогого и энергоемкого криостата.

Занимаясь другим направлением исследований, ученые из группы Лю поняли, что они могут генерировать те же высококонкурентные микроволновые сигналы, используя магниты вместо криогенно охлаждаемых сверхпроводящих цепей.

By putting a magnetic film into a microwave resonator, which is a metal cavity that traps electromagnetic energy, they could split one incoming microwave photon into a pair of perfectly synchronized signals with distinct frequencies, at room temperature.

"On its own, each signal looks random, but their phase relationship remains strongly correlated," Wang explains.

Their device relies on magnons, which are tiny packets of magnetic energy. Typically, pumping microwave photons into a magnetic system generates a pair of correlated magnons with the same frequency.

Even though both magnons are correlated, because they have the same frequency, scientists can’t separate them. They would need to separate the magnons to use one signal for transmission and the other for detection in secure communications.

A hybrid system

By coupling a magnetic film with a microwave resonator and carefully controlling the energy they pump into the device, the researchers could form hybrid magnon-photon waves. These hybrid waves output a pair of synchronized signals with distinct microwave frequencies.

The signals remain strongly correlated, but since the frequencies are always different and random, an attacker can’t recover the information encoded in one signal without having the matching one to use as a key.

The researchers demonstrated this by encoding a small image in the frequency of one microwave signal. They successfully decoded the signal and extracted the image using its partner.

"Magnonic systems exhibit a remarkably rich range of nonlinear dynamics, but these nonlinearities have not yet been harnessed for practical applications as extensively as those in nonlinear optics and other dynamical systems. In this work, we address one important challenge: the spectral overlap between a pair of ‘twin’ magnons generated by the same pump photon. By using the level repulsion arising from coupling between magnons and microwave photons, we were able to separate the two magnons in frequency," says Liu. "We believe this demonstration could provide a foundation for technologies such as quantum radar, secure communications, and quantum-limited sensing, all of which rely on correlated — and ultimately entangled — microwave sources."

This hybrid magnon-microwave system could also be used in noise-resilient communication by enabling the receiver to decode a message that has been garbled by random data that interfere with the transmission.

Correlated microwave signals are also a key element of a quantum simulator, which is a device that can emulate the complex behavior and interactions of subatomic particles that classical computers can’t handle. Scientists are developing quantum simulators to discover new drugs and materials.

By generating correlated signals at room temperature, this new technique can improve the scalability and reduce the costs of quantum simulation. In the future, the researchers want to develop a scalable architecture for their platform, moving it one step closer to real-world deployment. They also want to explore additional applications for the process and use their platform to study the underlying physics of correlated microwave signals.

"The creation of a non-degenerate parametric magnon-polariton platform marks an important milestone for cavity magnonics, extending the field beyond coherent microwave generation to the production of multichannel correlated microwave photons," says Can-Ming Hu, a distinguished profess or physics and astronomy at the University of Manitoba in Canada, who was not involved with this paper. "This breakthrough will broadly impact secure microwave communications, hardware random number generation, correlation-based signal processing, and intelligent microwave sensing — all operating within the classical regime at room temperature. Looking ahead, this platform could well be remembered as the starting point for realizing quantum-inspired microwave sensing and communication technologies based on nonlinear cavity magnonics."

This research was supported, in part, by the National Science Foundation and the U.S. Department of Energy.

>