Kryptographie ist so etwas wie ein neues Gebiet für Olivier Martin, der sich als Leiter des Nanophotonics and Metrology Lab der School of Engineering der EPFL seit vielen Jahren mit der Optik von Nanostrukturen beschäftigt. Aber nachdem sie in Zusammenarbeit mit dem Center of MicroNanoTechnology einige neue Silber-Nanostrukturen entwickelt hatten, stellten Martin und der Doktorand Hsiang-Chu Wang fest, dass diese Nanostrukturen auf unerwartete Weise auf polarisiertes Licht reagierten, was zufällig perfekt für die Codierung von Informationen war.
Sie fanden heraus, dass, wenn polarisiertes Licht aus bestimmten Richtungen durch die Nanostrukturen gestrahlt wurde, eine Reihe lebendiger und leicht identifizierbarer Farben zurückreflektiert wurde. Diesen unterschiedlichen Farben könnten Nummern zugeordnet werden, die dann verwendet werden könnten, um Buchstaben unter Verwendung des elektronischen Kommunikationsstandardcodes ASCII (American Standard Code for Information Interchange) darzustellen. Um eine geheime Nachricht zu verschlüsseln, verwendeten die Forscher einen quaternären Code mit den Ziffern 0, 1, 2 und 3 (im Gegensatz zu den häufiger verwendeten binären Codes 0 und 1). Das Ergebnis war eine Reihe von vierstelligen Zeichenfolgen, die aus verschiedenen Farbkombinationen bestanden, die verwendet werden konnten, um eine Nachricht zu formulieren, und die Methode der Chromo-Verschlüsselung war geboren.
Unter Verwendung ihres Systems repräsentierte beispielsweise die Farbfolge Orange, Gelb, Rot, Weiß die Ziffern 1, 0, 2 bzw. 0; eine Zahlenfolge, die wiederum für den Buchstaben „H“ in der geheimen Testnachricht „Hallo!“ kodiert.
„Jeder Farbcode ist nicht einzigartig, was bedeutet, dass dieselbe Ziffer – 0, 1, 2 oder 3 – eine andere Farbe darstellen kann. Das bedeutet, dass das Verschlüsselungssystem noch sicherer ist, weil die Chance, die richtige Codesequenz zu erraten, größer ist kleiner“, erklärt Martin. Die Ergebnisse des Labors wurden kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht Fortschrittliche optische Materialien.
Eine überraschende Reaktion auf Licht
Kernstück der neuen Methode ist die einzigartige Reaktion der Silber-Nanostrukturen auf polarisiertes Licht. Die unterschiedlichen Farbtöne, die die Forscher beobachteten, wurden zunächst durch die Variation von Länge und Position der Nanostrukturen erzeugt. Als nächstes bestrahlten die Forscher sie mit polarisiertem Licht, was bedeutet, dass die Lichtwellen in kontrollierte Richtungen (vertikal, horizontal oder diagonal) oszillierten. Je nach Polarisationsrichtung änderte sich das von den Nanostrukturen reflektierte Licht von matt zu lebhaft, was kräftige Farben ergab, die dann zur Analyse durch einen zweiten Polarisator geschickt wurden.
Entscheidend ist, dass bei der Chromo-Verschlüsselungsmethode nur die richtige Kombination von Polarisationsrichtungen die geheime Nachricht enthüllen würde; Licht, das in eine andere Richtung polarisiert ist, würde eine Reihe von Farben enthüllen, die einer unsinnigen Botschaft entsprechen.
Martin erklärt, dass die Nanostrukturen zu ihrer Überraschung eine sogenannte chirale Reaktion zeigten, da sie das polarisierte Licht in eine andere Richtung reflektierten als die Anregung selbst. In Physik und Chemie ist Chiralität – oder die Eigenschaften eines Materials, die sich aus seiner geometrischen Asymmetrie ergeben – ein wichtiger und gut untersuchter funktioneller Aspekt von Molekülen wie Proteinen. Aber es war nicht zu erwarten, dass es in den symmetrischen Silber-Nanostrukturen zu sehen ist.
„Chiralität ist ein Begriff, der oft missbraucht wird und schwer zu fassen ist. Der grundlegende Aspekt der Chiralität in einfachen Geometrien, wie sie unsere Nanostrukturen aufweisen, ist ein zentrales Ergebnis dieser Studie.“
Technologie mit dem menschlichen Auge verbinden
Neben der Verschlüsselung von Botschaften demonstrierten die Forscher, dass sie mit ihrer Methode auch ein Gemälde – in diesem Fall das von Picasso – reproduzieren konnten Mediterrane Landschaft – im Nanometerbereich. Dazu ersetzten sie die Pixel einer digitalen Reproduktion des Gemäldes durch ihre silbernen Nanostrukturen. Wie bei der Chromo-Verschlüsselungsmethode wurde das Kunstwerk erst sichtbar, wenn Licht in die richtige Richtung polarisiert auf das „Nano-Gemälde“ fiel.
Martin sagt, er glaube, dass die Kombination der Methode aus Nanotechnologie und menschlicher visueller Wahrnehmung viel Potenzial sowohl für künstlerische Anwendungen als auch für Verschlüsselungstechniken, wie etwa sicherere Banknoten, habe.
„Nanomaterialien und Farbe sind an der Schnittstelle von Hightech und Kunstfertigkeit, und das finde ich sehr ansprechend. Mit Nanostrukturen kann man eine riesige Menge an Informationen auf einer extrem kleinen Fläche codieren, sodass das Potenzial für eine sehr hohe Informationsdichte besteht. Gleichzeitig könnte ein Verschlüsselungsansatz, der vom bloßen menschlichen Auge gelesen und interpretiert werden kann, im Gegensatz zu einem Computer, von Vorteil sein.“