Καθώς η ζήτηση για ψηφιακή ασφάλεια αυξάνεται, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ένα νέο οπτικό σύστημα που χρησιμοποιεί ολογράμματα για την κωδικοποίηση πληροφοριών, δημιουργώντας ένα επίπεδο κρυπτογράφησης που οι παραδοσιακές μέθοδοι δεν μπορούν να προσπελάσουν. Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για πιο ασφαλείς διαύλους επικοινωνίας, συμβάλλοντας στην προστασία των ευαίσθητων δεδομένων.
«Από τα ταχέως εξελισσόμενα κρυπτονομίσματα έως τη διακυβέρνηση, την υγειονομική περίθαλψη, τις επικοινωνίες και τα κοινωνικά δίκτυα, η ζήτηση για ισχυρά συστήματα προστασίας για την καταπολέμηση της ψηφιακής απάτης συνεχίζει να αυξάνεται», δήλωσε ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Καθ. Στέλιος Τζωρτζάκης από το Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ (ΙΗΔΛ), του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) και το Πανεπιστήμιο Κρήτης, αμφότερα στο Ηράκλειο Κρήτης. «Το νέο μας σύστημα επιτυγχάνει ένα εξαιρετικό επίπεδο κρυπτογράφησης χρησιμοποιώντας ένα νευρωνικό δίκτυο για τη δημιουργία του κλειδιού αποκρυπτογράφησης, το οποίο μπορεί να δημιουργηθεί μόνο από τον ιδιοκτήτη του συστήματος κρυπτογράφησης».
Στο Optica, το περιοδικό του Optica Publishing Group για έρευνα υψηλού αντίκτυπου, ο κ. Τζωρτζάκης και οι συνεργάτες του περιγράφουν το νέο σύστημα, το οποίο χρησιμοποιεί νευρωνικά δίκτυα για να ανακτήσει περίτεχνα κωδικοποιημένες πληροφορίες αποθηκευμένες ως ολόγραμμα. Δείχνουν ότι τα εκπαιδευμένα νευρωνικά δίκτυα μπορούν να αποκωδικοποιήσουν με επιτυχία τις περίπλοκες χωρικές πληροφορίες στις κωδικοποιημένες εικόνες.
«Η μελέτη μας παρέχει μια ισχυρή βάση για πολλές εφαρμογές, ειδικά την κρυπτογραφία και την ασφαλή ασύρματη οπτική επικοινωνία, ανοίγοντας το δρόμο για τεχνολογίες τηλεπικοινωνιών επόμενης γενιάς», δήλωσε ο κ. Τζωρτζάκης. «Η μέθοδος που αναπτύξαμε είναι εξαιρετικά αξιόπιστη ακόμη και σε σκληρές και απρόβλεπτες συνθήκες, αντιμετωπίζοντας πραγματικές προκλήσεις όπως οι δύσκολες καιρικές συνθήκες που συχνά περιορίζουν την απόδοση των οπτικών συστημάτων ελεύθερου χώρου».
Χαοτικά περιπλεγμένο φως για ασφάλεια
Οι ερευνητές ανέπτυξαν το νέο σύστημα αφού ανακάλυψαν ότι όταν τα ολογράμματα χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση μιας δέσμης λέιζερ, η δέσμη γίνεται εντελώς και τυχαία κωδικοποιημένη και ότι το αρχικό σχήμα της δέσμης δεν μπορεί να αναγνωριστεί ή να ανακτηθεί χρησιμοποιώντας φυσική ανάλυση ή υπολογισμό. Αναγνώρισαν ότι αυτός ήταν ένας ιδανικός τρόπος για την ασφαλή κρυπτογράφηση πληροφοριών.
«Η πρόκληση ήταν να βρούμε πώς να αποκρυπτογραφήσουμε τις πληροφορίες», δήλωσε ο κ. Τζωρτζάκης. «Σκεφτήκαμε να εκπαιδεύσουμε νευρωνικά δίκτυα να αναγνωρίζουν τις απίστευτα μικρές λεπτομέρειες των κωδικοποιημένων μοτίβων φωτός. Δημιουργώντας δισεκατομμύρια πολύπλοκες συνδέσεις ή συνάψεις μέσα στα νευρωνικά δίκτυα, ήμασταν σε θέση να ανακατασκευάσουμε τα αρχικά σχήματα της δέσμης φωτός. Αυτό σήμαινε ότι είχαμε έναν τρόπο να δημιουργήσουμε το κλειδί αποκρυπτογράφησης που ήταν συγκεκριμένο για κάθε διαμόρφωση συστήματος κρυπτογράφησης».
Για να δημιουργήσουν ένα φυσικό σύστημα που ανακατεύει εντελώς και χαοτικά τις ακτίνες φωτός, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα λέιζερ υψηλής ισχύος που αλληλεπιδρά με μια μικρή κυψελίδα γεμάτη με αιθανόλη. Το υγρό δεν ήταν μόνο φθηνό, αλλά δημιούργησε και την επιθυμητή χαοτική συμπεριφορά σε μικρή απόσταση διάδοσης μόλις λίγων χιλιοστών. Εκτός από την αλλαγή της έντασης της δέσμης φωτός, το φως που αλληλεπιδρά με το υγρό παρουσίασε επίσης θερμικές αναταράξεις που ενίσχυσαν έντονα τη χαοτική κρυπτογράφηση.
Επιτυχής κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση
Για να επιδείξουν τη νέα μέθοδο, οι ερευνητές την εφάρμοσαν για να κρυπτογραφήσουν και να αποκωδικοποιήσουν χιλιάδες χειρόγραφα ψηφία και άλλα σχήματα όπως ζώα, εργαλεία και καθημερινά αντικείμενα από καθιερωμένες βάσεις δεδομένων που χρησιμοποιούνται ως αναφορές για την αξιολόγηση συστημάτων ανάκτησης εικόνων. Μετά τη βελτιστοποίηση της πειραματικής διαδικασίας και την εκπαίδευση του νευρωνικού δικτύου, έδειξαν ότι το νευρωνικό δίκτυο θα μπορούσε να ανακτήσει με ακρίβεια τις κωδικοποιημένες εικόνες στο 90-95% των περιπτώσεων. Λένε ότι αυτό το ποσοστό θα μπορούσε να βελτιωθεί περαιτέρω με πιο εκτεταμένη εκπαίδευση του νευρωνικού δικτύου.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν να αναπτύξουν περαιτέρω την τεχνολογία προσθέτοντας επιπλέον επίπεδα προστασίας, όπως ο έλεγχος ταυτότητας δύο παραγόντων. Δεδομένου ότι το μεγαλύτερο εμπόδιο για την εμπορευματοποίηση του συστήματος είναι το κόστος και το μέγεθος του συστήματος λέιζερ, διερευνούν επίσης οικονομικά αποδοτικές εναλλακτικές λύσεις στα ακριβά, ογκώδη λέιζερ υψηλής ισχύος.
Άρθρο: P. Konstantakis, M. Manousidaki, and S. Tzortzakis, "Encrypted optical information in nonlinear chaotic systems uncovered using neural networks", OPTICA 12, 131 (2025).
doi:10.1364/OPTICA.530643.
Σχετικά με την Optica
Το Optica είναι ένα περιοδικό με κριτές ανοικτής πρόσβασης αφιερωμένο στην ταχεία διάδοση υψηλού αντίκτυπου έρευνας σε όλο το φάσμα της οπτικής και της φωτονικής. Το περιοδικό, που εκδίδεται κάθε μήνα από τον εκδοτικό όμιλο Optica, παρέχει ένα φόρουμ για πρωτοποριακή έρευνα στην οποία μπορεί να έχει άμεση πρόσβαση η διεθνής κοινότητα, είτε αυτή η έρευνα είναι θεωρητική είτε πειραματική, θεμελιώδης ή εφαρμοσμένη.
