تستخدم ميونات الأشعة الكونية لإنشاء نظام تشفير

يمكن استخدام أوقات الوصول العشوائية لميونات الأشعة الكونية إلى سطح الأرض لتشفير وفك تشفير الرسائل السرية - وفقًا لـ هيرويوكي تاناكا في جامعة طوكيو. وهو يدعي أن النظام الجديد أكثر أمانًا من أنظمة التشفير الأخرى لأنه لا يتطلب من مرسل الرسالة ومتلقيها تبادل مفتاح سري. بعد تأكيد الجوانب المهمة للتكنولوجيا في المختبر ، يعتقد أنها ستكون منافسة تجاريًا للاستخدام على مسافات قصيرة في المكاتب ومراكز البيانات والمنازل الخاصة.

تتضمن بروتوكولات التشفير إنشاء وتوزيع مفتاح سري يُستخدم لتشفير الرسائل وفك تشفيرها. اليوم ، يمكن اختراق أنظمة التشفير الشائعة الاستخدام من قبل أولئك الذين لديهم القدرة على العثور على العوامل الأولية للأعداد الكبيرة جدًا. هذا صعب للغاية باستخدام أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، لكن يجب أن تكون مهمة أسهل بكثير باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل.

من بين الخيارات للتعامل مع هذا التهديد هو الكم نفسه - استخدام مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ لضمان أن أي متصنت محتمل لا يمكنه سرقة المفتاح دون الكشف عن وجوده في العملية.

عيوب الكم

ومع ذلك ، حتى هذا "توزيع المفتاح الكمومي" له عيوبه. أظهر العلماء أنه من الممكن استغلال نقاط الضعف في أجهزة التشفير ، مثل تسليط الضوء الساطع على كاشفات الفوتون الفردي لتحويلها إلى أجهزة كلاسيكية. يمكن تجنب هذه المشكلة بالذات عن طريق استخدام طرف ثالث (لا يحتاج إلى أن يكون جديرًا بالثقة) للقيام باكتشاف بتات المفاتيح ، ولكن هذا الترتيب أغلى من التشفير المباشر من طرفين.

تم تصميم اقتراح تاناكا الجديد للتغلب على المتلصصين من خلال التحول بدلاً من ذلك إلى مورد طبيعي دائم الوجود للعشوائية: ميونات الأشعة الكونية. تمطر الأشعة الكونية ، التي تتكون أساسًا من البروتونات ، على الأرض من الفضاء السحيق وتولد زخات من البيونات والجزيئات الأخرى عندما تصطدم بنوى في الغلاف الجوي. ثم تتحلل هذه البيونات إلى ميونات ، وهي إصدارات ثقيلة من الإلكترون. تضرب هذه الميونات سطح الأرض بشكل مستقل تمامًا عن بعضها البعض وتكون قادرة على المرور عبر كميات كبيرة من المواد الصلبة بينما تفقد جزءًا صغيرًا فقط من طاقتها عن طريق تأين المواد.

تكمن الفكرة في وضع مرسل الرسالة والمتلقي بالقرب من بعضهما البعض بحيث يتعرض كلاهما لنفس زخات الأشعة الكونية ويمكنهما إجراء اكتشافات منفصلة خاصة بهما لميونات معينة داخل الدش - أي تلك الجسيمات التي يتقاطع مسارها مع أجهزة الكشف من كلا الأفراد. من خلال كل تسجيل لوقت وصول تلك الميونات واستخدام الطوابع الزمنية كبيانات عشوائية لمفاتيح التشفير ، يمكن للمرسل والمستقبل إنشاء نفس المفاتيح السرية بشكل مستقل - دون الحاجة إلى إرسال المفاتيح لبعضها البعض.

الساعات المتزامنة

يعتمد التأكد من أن المرسل والمستقبل يستخدمان نفس الميونات لإنشاء المفاتيح على حساب التأخير الزمني الدقيق بين الكشفين ، والذي يتم من خلال معرفة المسافة بين الكاشفات (تنتقل الميونات عادةً بنسبة 99.95٪ من سرعة الضوء) أثناء المزامنة بعناية الساعات في كل نهاية. يمكن تحقيق التزامن باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي لتنسيق دقات الساعات المحلية مثل المذبذبات البلورية.

يسمي تاناكا تقنيته "التشفير الكوني والنقل" (COSMOCAT) ويستخدم كاشفين يقيسان وصول الميون بواسطة وميض بلاستيكي وأنبوب مضاعف ضوئي. وأثناء إجراء الاختبارات في أربعة أيام مختلفة في يونيو من العام الماضي ، أظهر أن الميونات تصل بالفعل إلى نقاط زمنية عشوائية - احتمال ملاحظة عدد معين من الأحداث في فترة معينة بعد توزيع بواسون. كما أظهر أن الكاشفين ينتجان باستمرار نفس الطوابع الزمنية العشوائية.

ومع ذلك ، نظرًا للقيود المفروضة على إشارات نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والإلكترونيات المستخدمة لإجراء التجربة ، فقد كان قادرًا فقط على تحديد اكتشافات الميونات الشائعة (على عكس اعتراض الجسيمات العشوائية الأخرى) في حوالي 20٪ من الحالات. تضمن التغلب على هذه المشكلة استخدام جهاز الاستقبال مفاتيح متعددة لمحاولة فك تشفير رسالة معينة ثم الانتقال إلى الرسالة التالية فقط بمجرد أن يشير المتلقي إلى النجاح.

المباني الذكية

تضيف هذه الخطوات الإضافية وقتًا إلى عملية فك التشفير وبالتالي تبطئ معدل نقل البيانات. ومع ذلك ، يقول تاناكا إن النظام سيظل أسرع بكثير من التكنولوجيا الحالية. في الواقع ، حدثت عمليات الكشف المتفق عليها بمتوسط ​​20 هرتز ، مما يعني أن معدل نقل البيانات لا يقل عن 10 ميغابت في الثانية. هذا أسرع من 10 كيلو بت في الثانية النموذجي لنظام الشبكة المحلية مثل Bluetooth Low Energy. ويعتقد أن هذا النطاق الترددي الأكبر يجب أن يجعل المخطط الجديد جذابًا للاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى مثل توصيل المستشعرات داخل المباني "الذكية" وتبادل المعلومات بشكل آمن أثناء تشغيل المركبات الكهربائية المستقبلية.

الميونات: استكشاف أعماق النفايات النووية

مثل تاناكا ، ميخائيل مانياتاكوس من جامعة نيويورك أبو ظبي في الإمارات العربية المتحدة على تطوير مولد أرقام عشوائي من الميونات الكونية للتشفير. لكنه وجد هو وزملاؤه أن الميونات لا تصل إلى سطح الأرض بأعداد كافية لتوليد "إنتروبيا" كافية في فترة زمنية معينة من كاشف صغير مناسب. يقول: "خلص بحثنا إلى أن الميونات ليست أسلوبًا عمليًا لتحديد مصادر العشوائية في نظام حقيقي".

يقر تاناكا أن معدلات اكتشاف الميون تضع قيودًا على التكنولوجيا ، لكنها تصر على أن المعدلات مناسبة للاتصالات اللاسلكية عبر مسافات تصل إلى حوالي 10 أمتار. في العرض الذي قدمه ، استخدم كاشفات كبيرة جدًا - يبلغ قياس كل منها مترًا واحدًا² - من أجل تعظيم معدل البت. ومع ذلك ، يعتقد تاناكا أنه يمكنه تقليص أجهزة الكشف إلى خمس حجمها الحالي عن طريق زيادة معدل توليد المفاتيح بمقدار خمسة أضعاف. فيما يتعلق بالوقت الذي سيستغرقه إتقان التكنولوجيا ، يقول إنه يجب أن يكون لديه نموذج أولي عملي في غضون خمس سنوات.

أحد نقاط الضعف المحتملة في المخطط ، كما يلاحظ ، هو احتمال أن يتمكن المتصنت من وضع كاشف ثالث بين أجهزة المرسل والمستقبل وتسجيل ضربات الميون بشكل مستقل. ويعتقد أن أي خطة من هذا القبيل ستكون "غير عملية تمامًا" لكنه يقول إن النظام يأتي مع حماية مضمنة - إزاحة زمنية صغيرة مقارنة بالوقت القياسي الذي تبثه أقمار GPS الصناعية. هذه الإزاحة ، التي يمكن للأطراف المتصلين تغييرها في أي وقت من اختيارهم ، تجعل المتصنت المحتمل لا يتفق مع أوقات وصول الميون - مع النتيجة ، كما يقول ، "لا يمكنهم سرقة المفتاح لفك تشفير الرسالة".

تم وصف البحث في iScience.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/