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Die Kryptographie ist für Olivier Martin, der als Leiter des Labors für Nanophotonik und Metrologie der EPFL-Fakultät für Ingenieurwesen seit vielen Jahren die Optik von Nanostrukturen untersucht, ein neues Gebiet. Nachdem er in Zusammenarbeit mit dem Center of MicroNanoTechnology einige neue Silber-Nanostrukturen entwickelt hatte, stellten Martin und der Doktorand Hsiang-Chu Wang fest, dass diese Nanostrukturen auf eine unerwartete Art und Weise auf polarisiertes Licht reagierten, was für die Codierung von Informationen geradezu perfekt war.
Sie fanden heraus, dass, wenn polarisiertes Licht aus bestimmten Richtungen durch die Nanostrukturen schien, eine Reihe von lebhaften und leicht zu identifizierenden Farben zurück reflektiert wurde. Diesen verschiedenen Farben konnten Zahlen zugeordnet werden, die dann zur Darstellung von Buchstaben unter Verwendung des Standardcodes für elektronische Kommunikation ASCII (American Standard Code for Information Interchange) verwendet werden konnten. Um eine geheime Nachricht zu verschlüsseln, verwendeten die Forschenden einen quaternären Code mit den Ziffern 0, 1, 2 und 3 (im Gegensatz zu dem üblicherweise verwendeten binären Code 0 und 1). Das Ergebnis war eine Reihe von vierstelligen Zeichenketten, die aus verschiedenen Farbkombinationen bestanden und mit denen man eine Nachricht buchstabieren konnte – die Methode der Chromo-Verschlüsselung war geboren.
Die Farbfolge Orange, Gelb, Rot, Weiss stand beispielsweise für die Ziffern 1, 0, 2, 0; eine Zahlenfolge, die wiederum den Buchstaben «H» in der geheimen Testnachricht «Hallo!» verschlüsselte.
«Jeder Farbcode ist nicht eindeutig, 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 Codefolge zu erraten, geringer ist», erklärt Martin. Die Ergebnisse des Labors wurden kürzlich in der Zeitschrift Advanced Optical Materials veröffentlicht.
Die obere Zeile stellt die Nachricht "Hello!" im Quaternärcode dar, die offenbart wird, wenn die Silber-Nanostrukturen mit der richtigen Polarisation beleuchtet werden. Die beiden unteren Zeilen zeigen falsche Sequenzen, wenn falsche Polarisationsschlüssel verwendet werden. © NAM EPFL
Eine überraschende Reaktion auf Licht
Im Mittelpunkt der neuen Methode steht die einzigartige Reaktion der Silber-Nanostrukturen auf polarisiertes Licht. Die verschiedenen Farbtöne, die die Forscher beobachteten, wurden zunächst durch Variation der Länge und Position der Nanostrukturen erzeugt. Anschliessend wurden sie mit polarisiertem Licht bestrahlt, das heisst, die Lichtwellen schwangen in kontrollierten Richtungen (vertikal, horizontal oder diagonal). Je nach Polarisationsrichtung änderte sich das von den Nanostrukturen reflektierte Licht von trüb bis lebhaft und lieferte kräftige Farben, die dann zur Analyse durch einen zweiten Polarisator geschickt wurden.
Entscheidend bei der Chromo-Verschlüsselungsmethode ist, dass nur die richtige Kombination von Polarisationsrichtungen die geheime Nachricht enthüllt; Licht, das in eine andere Richtung polarisiert wird, enthüllt eine Reihe von Farben, die einer unsinnigen Nachricht entsprechen.
Martin erklärt, dass die Nanostrukturen zu ihrer Überraschung eine so genannte chirale Reaktion zeigten, da sie das polarisierte Licht in eine andere Richtung reflektierten als die Anregung selbst. In der Physik und Chemie ist die Chiralität – oder die Eigenschaften eines Materials, die sich aus seiner geometrischen Asymmetrie ergeben – ein wichtiger und gut untersuchter funktioneller Aspekt von Molekülen wie Proteinen. Es wurde jedoch nicht erwartet, dass sie in den symmetrischen Silbernanostrukturen zu sehen ist.
«Chiralität ist ein Begriff, der oft falsch verwendet wird und schwer zu fassen ist. Der grundlegende Aspekt der Chiralität in einfachen Geometrien, wie sie unsere Nanostrukturen aufweisen, ist eine wichtige Erkenntnis dieser Studie.»
Schema, das die Wirkung verschiedener Polarisationsrichtungen auf die von Silber-Nanostrukturen reflektierten Farben veranschaulicht. © NAM EPFL
Die Kombination von Technologie und menschlichem Auge
Neben der Verschlüsselung von Nachrichten haben die Forscher gezeigt, dass sie mit ihrer Methode ein Gemälde – in diesem Fall Picassos Mittelmeerlandschaft – im Nanometerbereich reproduzieren können. Zu diesem Zweck ersetzten sie die Pixel einer digitalen Reproduktion des Gemäldes durch ihre Silber-Nanostrukturen. Genau wie bei der Chromo-Verschlüsselungsmethode wurde das Kunstwerk nur dann sichtbar, wenn in der richtigen Richtung polarisiertes Licht auf das «Nano-Gemälde» fiel.
Optisches Bild eines Nano-Drucks von Picassos «Mediterranean Landscape» (reproduziert mit freundlicher Genehmigung von © Succession Picasso/2022, ProLitteris, Zürich) bei Verwendung eines falschen Polarisationsschlüssels © NAM EPFL
Optisches Bild eines Nano-Drucks von Picassos «Mediterranean Landscape» (reproduziert mit freundlicher Genehmigung von © Succession Picasso/2022, ProLitteris, Zürich) bei Verwendung des richtigen Polarisationsschlüssels © NAM EPFL
Martin ist der Meinung, dass die Kombination von Nanotechnologie und menschlicher visueller Wahrnehmung sowohl für künstlerische Anwendungen als auch für Verschlüsselungstechniken, z. B. für sicherere Banknoten, grosses Potenzial hat.
«Nanomaterialien und Farbe liegen an der Schnittstelle von Hightech und Kunst, und das finde ich sehr reizvoll. Mit Nanostrukturen kann man eine riesige Menge an Informationen auf einer extrem kleinen Fläche kodieren, so dass eine sehr hohe Informationsdichte möglich ist. Gleichzeitig könnte ein Verschlüsselungsansatz, der mit dem blossen menschlichen Auge gelesen und interpretiert werden kann, im Gegensatz zu einem Computer, von Vorteil sein.»