Nichtlineare Photonik (Prof. Dr. C. Denz)
Holographische Datenverschlüsselung und Datenbanksuche
Die Anforderungen an neue Speichertechnologien sind immer komplexer geworden. Die reine Bereitstellung
eines Speichers mit hoher Kapazität ist längst nicht mehr ausreichend. Zukünftige
Massenspeichertechnologien müssen eine Reihe weiterer Attribute erfüllen. Eine wichtige
Eigenschaft ist die so genannte Datenausleserate, die darüber entscheidet wie schnell Information
verfügbar ist oder wie schnell Information aufgefunden werden kann. Gerade in Massenspeichern mit
großen Datenkapazitäten führen geringe Übertragungsraten zu inakzeptablen
Leistungsnachteilen. Dies ist ein prinzipielles Problem konventioneller Speicher, die alle auf einer bitweisen,
seriellen Speicherung basieren. Damit zum Beispiel die Transferraten von Festplatten mit der stetig steigenden
Kapazität mithalten konnten, wurde in den letzten Jahren vor allem die Drehfrequenz der Platten immer
weiter erhöht. Eine solche Erhöhung stößt jedoch zwangsläufig an neue Grenzen.
Die von uns untersuchte Speichertechnologie basiert auf einer parallelen Überlagerung vieler Daten an
einem Ort im Speichermaterial. Diese Besonderheit bietet unter Ausnutzung der grundlegenden Prinzipien der
Holographie die Möglichkeit durch Inhaltsadressierung eine äußerst effiziente
Datenbanksuche zu realisieren. Dazu wird der Speicher mit einer Signalwelle beleuchtet, die die Suchinformation
enthält. Im Speicher findet nun durch optische Korrelation ein paralleler Vergleich dieser
Eingabeinformation mit allen, an diesem Ort gespeicherten Daten gleichzeitig statt. Aus den dabei entstehenden
Signalen kann eine geordnete Liste der Speicheradressen, der zu dieser Eingabeinformation am besten
passenden Datenseiten, extrahiert werden. Damit wird also ein paralleler assoziativer Vergleich in Echtzeit
realisiert, aus dem sich, gegenüber der Datensuche in einem herkömmlichen, seriellen System, ein
enormer Geschwindigkeitsvorteil ergibt: Für eine Datensuche in einem konventionellen optischen Speicher
(z.B. CD oder DVD) werden alle Daten sukzessive ausgelesen und softwarebasiert miteinander verglichen.
Die dabei erreichbare Geschwindigkeit ist im Wesentlichen durch die Ausleserate von den Datenträgern
bestimmt. Nimmt man eine heute typische Geschwindigkeit von 25 MByte/s an, würde eine
vollständige Suche durch eine Datenmenge von einem Gigabyte etwa 40 s dauern. Werden
dagegen in einem volumenholographischen System 10 Speicherorte, an denen jeweils
1000 Hologramme gespeichert wurden, gleichzeitig adressiert, kann die Eingabeinformation mit allen
Daten innerhalb von ca. 0.08 s verglichen werden. In diesem Fall ergibt sich somit ein 500-facher
Geschwindigkeitsvorteil.
Zusätzlich fordern
Anwender immer häufiger von digitalen Massenspeichern, dass sie einen technologisch immanenten,
effektiven Schutz der Daten vor unerlaubten Zugriffen bieten. Auch hier sind die Möglichkeiten
konventioneller serieller Datenspeicher begrenzt. Dort werden Kodierungen üblicherweise über die
Software als Zahlen- und Buchstabencodes realisiert. Aufgrund der wachsenden Leistungsfähigkeit von
Computern, musste für eine gleich bleibende Sicherheit die Länge solcher Kodes sukzessiv
erhöht werden.
Die Volumenholographie auf der Basis der Phasenkodierung, wie sie an der Universität Münster
untersucht wird, ermöglicht eine gänzlich neue Art der Verschlüsselung.
Dazu werden zusätzlich zu den fest vorgegebenen
Phasenkodes, den Speicheradressen, zufällige Phasenverteilungen auf die Referenzwelle aufgeprägt.
Während der Überlagerung der Daten an einem Ort im Speichermaterial bleibt diese
zusätzliche Zufallsphasenverteilung konstant. Ein Auslesen der Daten ist dann nur noch mit Hilfe der zur
Speicherung verwendeten Zufallsphasenverteilung möglich. Falls die spezielle Verteilung unbekannt ist,
wird im Allgemeinen ein unbrauchbarer Datenmix ausgelesen. Schon bei der Überlagerung von lediglich
etwa 500 Datenseiten an einem Ort besitzen die resultierenden Kodewörter bereits Längen
von mehr als 350 Bits, so dass das System praktisch nicht zu knacken ist.
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