Zamiast budować wiadomość “nie do złamania”, można spróbować ukryć samą czynność komunikacji. Zespół inżynierów z UNSW Sydney i Monash University twierdzi, że potrafi to zrobić, wykorzystując zjawisko z pogranicza fizyki półprzewodników i termowizji.
Ciepło też jest sygnałem, tylko zwykle o nim nie myślimy
Każdy obiekt o temperaturze wyższej niż zero absolutne emituje promieniowanie cieplne, głównie w podczerwieni. Na co dzień tego nie widzimy, ale kamera termowizyjna już tak, bo dla niej “ciemność” jest pełna informacji o tym, kto i jak mocno świeci ciepłem. W praktyce oznacza to, że środowisko jest zaszumione naturalną podczerwienią, bo ściany, ludzie, asfalt, urządzenia elektroniczne, a nawet powietrze w pewnych warunkach dokładają swoje cegiełki.
Czytaj też: Stworzyli jeden z najtwardszych materiałów na Ziemi. Skąd heksagonalny diament bierze swoje właściwości?
Badacze z Australii weszli w ten szum z założeniem prostym w teorii i trudnym w realizacji: jeśli tło i tak promieniuje, to można spróbować zaszyć informację w zmianach, które dla “zwykłego” obserwatora zlewają się z naturalnym obrazem termicznym. Opisują to formą latarki, która “potrafi świecić ciemniej niż kiedy jest wyłączona”. Wprawdzie brzmi absurdalnie w świetle widzialnym, ale w podczerwieni pewne materiały półprzewodnikowe dają efekt bliski takiej intuicji.
Czym jest “ujemna luminescencja”?
Kluczowym pojęciem jest w tym odkryciu ujemna luminescencja. W skrócie: typowa dioda w trybie przewodzenia może emitować więcej fotonów niż wynikałoby to z samej temperatury otoczenia (elektroluminescencja). Natomiast w pewnych warunkach, bo przy odpowiednim spolaryzowaniu złącza, urządzenie może emitować mniej promieniowania niż “pasywny” obiekt o tej samej temperaturze. Zupełnie jakby jego fragment w termowizji przygasał.
Czytaj też: Najzimniejsze miejsce na Ziemi dostaje nowe serce. Wszystko w imię nauki
To zjawisko jest znane od dekad, ale dotąd rzadko kojarzono je z komunikacją, a częściej z detekcją i układami IR. Oto jednak naukowcy wykazali, że da się szybko przełączać urządzenie pomiędzy stanem “jaśniej niż tło” i “ciemniej niż tło”, a następnie tak dobrać parametry, by średnia emisja w czasie była praktycznie identyczna jak promieniowanie tła. Jeśli ktoś patrzy detektorem o zbyt małym paśmie przenoszenia (albo kamerą termowizyjną, która integruje obraz w milisekundach), zobaczy jedynie stabilny obraz bez wskazówki, że w ogóle zaszła transmisja.
Termoradiacyjna dioda to ta sama rodzina, co “nocny panel słoneczny”
Do realizacji demonstracji użyto tzw. termoradiacyjnych diod, czyli półprzewodnikowych urządzeń, które bywają opisywane jako symetryczny odpowiednik klasycznego ogniwa fotowoltaicznego. Zamiast “zbierać” fotony ze Słońca, takie układy mogą pracować w drugą stronę, czyli wykorzystywać emisję promieniowania podczerwonego (to, jak Ziemia oddaje ciepło nocą) w celu wytwarzania energii lub (jak w tym przypadku) w celu kontrolowania i modulowania emisji. W samym artykule naukowym mowa o diodach z rtęci, kadmu i teluru, pracujących w średniej podczerwieni, z emisją nominalnie w okolicach 6 µm i 10,6 µm. Autorzy wprost odwołują się też do tego, że kanały termiczne mają sens w tzw. oknach transmisyjnych atmosfery (m.in. 3-5 µm oraz 8-14 µm), czyli zakresach, w których powietrze mniej tłumi promieniowanie podczerwone.
Jeśli idzie o możliwości transmisji, to w grę wchodzi 100 kilobajtów na sekundę, czyli około 0,1 MB/s, a więc w przeliczeniu około 0,8 Mbit/s, co stanowi poziom wystarczający do prostych komunikatów, metadanych, krótkich plików, a nawet niskiej jakości strumienia danych telemetrycznych. Jest on jednak ale daleki od tego, co uznajemy za standard w Wi-Fi czy sieciach komórkowych. Autorzy wspominają jednak o modulacji rzędu megaherców i podkreślają, że ograniczenia demonstracji wynikały w dużej mierze z użytej aparatury i nieoptymalnych elementów, a komercyjne detektory podczerwieni potrafią pracować dużo szybciej. Pojawiają się też rozważania o przyszłych emiterach i detektorach o bardzo szerokim paśmie, a w komunikacie uczelnianym. Jest to sugestia, że w kolejnych iteracjach można myśleć o przepływnościach rzędu megabitów, a w dalszej perspektywie nawet o skali gigabajtów na sekundę (w tym z odniesieniem do grafenu).
Czy to naprawdę “nie do przechwycenia”?
Najmocniejsza prawda o tej technologii sprowadza się do tezy: “jeśli nie wiesz, że ktoś nadaje, trudniej to przechwycić”. Jest to prawda jako intuicja operacyjna, ale papier naukowy jest tu bardziej precyzyjny niż nagłówki. Mechanizm “bez śladu” działa dla obserwatora, którego detektor ma zbyt małe pasmo przenoszenia, by zobaczyć szybką modulację. Jeśli ktoś podejrzewa, że kanał istnieje i wystawi czujnik zdolny do rejestrowania zmian w odpowiedniej skali czasowej, to transmisja stanie się już wykrywalna.
Dochodzi też fizyka propagacji w powietrzu. Podczerwień w wolnej przestrzeni jest wrażliwa na warunki atmosferyczne, geometrię, przeszkody, a w wielu scenariuszach zastosowanie może ograniczyć ot prosta linia widzenia. Co ciekawe, autorzy wspominają o możliwości sprzęgania z włóknami do średniej podczerwieni, co pozwala myśleć o dłuższych dystansach bez problemów z atmosferą, ale to kolejny etap rozwoju, a nie element już gotowego pomysłu i tym bardziej infrastruktury.
Czytaj też: Burza słoneczna wywołała 7500-krotny wzrost promieniowania. Niepokojące wyniki pomiarów
Najrozsądniejsze spojrzenie jest więc takie, że nowy pomysł to nie zamiennik kryptografii, a warstwa dodatkowa. Zresztą sami autorzy podkreślają, że taki kanał można jeszcze szyfrować tradycyjnie, co dopiero tworzy sensowny pakiet, bo w takim podejściu nawet jeśli ktoś wykryje transmisję, to nadal zostaje mu praca nad treścią.
Źródła: UNSW, Springer Nature Link
