Kosmiske-stråle-muoner bruges til at skabe kryptografisystem

De tilfældige ankomsttider for kosmisk-stråle-myoner på Jordens overflade kan bruges til at indkode og afkode fortrolige beskeder – iflg. Hiroyuki Tanaka på universitetet i Tokyo. Han hævder, at den nye ordning er mere sikker end andre kryptografiske systemer, fordi den ikke kræver, at afsender og modtager af en besked udveksler en hemmelig nøgle. Efter at have bekræftet vigtige aspekter af teknologien i laboratoriet, regner han med, at den vil være kommercielt konkurrencedygtig til brug over korte afstande i kontorer, datacentre og private hjem.

Kryptografiske protokoller involverer generering og distribution af en hemmelig nøgle, der bruges til at kryptere og dekryptere meddelelser. I dag kan almindeligt anvendte kryptografisystemer knækkes af dem, der har evnen til at finde de primære faktorer i meget store tal. Dette er djævelsk svært at gøre ved at bruge konventionelle computere, men det burde være en meget lettere opgave ved at bruge fremtidens kvantecomputere.

Blandt mulighederne for at håndtere denne trussel er selve quantum – brugen af ​​Heisenbergs usikkerhedsprincip for at sikre, at enhver mulig aflytning ikke kan stjæle nøglen uden at afsløre deres tilstedeværelse i processen.

Kvantefejl

Men selv denne "kvantenøglefordeling" har sine mangler. Forskere har vist, at det er muligt at udnytte svagheder i krypteringshardwaren, såsom at skinne skarpt lys på enkeltfoton-detektorer for at gøre dem til klassiske enheder. Dette særlige problem kan undgås ved at bruge en tredjepart (som ikke behøver at være troværdig) til at udføre detekteringen af ​​nøglebits, men dette arrangement er dyrere end ligetil topartskryptering.

Tanakas nye forslag er designet til at besejre aflyttere ved i stedet at vende sig til en naturlig og altid tilstedeværende ressource af tilfældighed: kosmisk-stråle-muoner. Kosmiske stråler, som hovedsageligt er protoner, regner ned på Jorden fra det dybe rum og genererer byger af pioner og andre partikler, når de kolliderer med kerner i atmosfæren. Disse pioner henfalder derefter til muoner, som er tunge versioner af elektronen. Disse myoner rammer jordens overflade fuldstændig uafhængigt af hinanden og er i stand til at passere gennem store mængder fast materiale, mens de kun mister en lille brøkdel af deres energi ved at ionisere materialerne.

Ideen er at placere meddelelsens afsender og modtager tæt nok på hinanden til, at de begge udsættes for de samme kosmiske stråler og kan foretage deres egne separate detektioner af specifikke myoner i et brusebad - nemlig de partikler, hvis bane krydser detektorerne af begge personer. Ved hver at registrere ankomsttidspunktet for disse myoner og bruge tidsstemplerne som tilfældige data for kryptografiske nøgler, kan afsender og modtager uafhængigt generere de samme hemmelige nøgler – uden at skulle sende nøglerne til hinanden.

Synkroniserede ure

At sikre, at afsender og modtager bruger de samme myoner til at skabe nøglerne, er afhængig af at beregne den præcise tidsforsinkelse mellem de to detektioner, hvilket gøres ved at kende afstanden mellem detektorerne (myoner rejser typisk med 99.95 % af lyshastigheden), mens de omhyggeligt synkroniserer ure i hver ende. Synkronisering kan opnås ved hjælp af et globalt positioneringssystem til at koordinere tikken af ​​lokale ure, såsom krystaloscillatorer.

Tanaka kalder sin teknik for "Cosmic Coding & Transfer" (COSMOCAT), og den bruger to detektorer, der måler muon-ankomst med en plastisk scintillator og et fotomultiplikatorrør. Ved at udføre tests på fire forskellige dage i juni sidste år viste han, at myoner faktisk ankommer på tilfældige tidspunkter - sandsynligheden for at observere et givet antal begivenheder i en bestemt periode efter en Poissonsk fordeling. Han viste også, at de to detektorer konsekvent producerede de samme, tilfældige tidsstempler.

Men på grund af begrænsninger i GPS-signalerne og den elektronik, der blev brugt til at udføre eksperimentet, var han kun i stand til at etablere almindelige myondetektioner (i modsætning til opsnapning af andre tilfældige partikler) i omkring 20% ​​af tilfældene. At overvinde dette problem involverede modtageren at bruge flere nøgler til at forsøge at afkode en given besked og derefter gå videre til den næste besked, når modtageren havde signaleret succes.

Smarte bygninger

Disse ekstra trin tilføjer tid til dekrypteringsprocessen og sænker dermed hastigheden, hvormed data kan overføres. Ikke desto mindre siger Tanaka, at systemet stadig ville være betydeligt hurtigere end meget eksisterende teknologi. Faktisk fandt aftalte detektioner sted ved et gennemsnit på omkring 20 Hz, hvilket indebærer en dataoverførselshastighed på mindst 10 Mbps. Dette er hurtigere end de 10 kbps, der er typisk for et lokalt netværkssystem som f.eks. Bluetooth Low Energy. Han regner med, at denne større båndbredde burde gøre den nye ordning attraktiv for kortdistance trådløs kommunikation, såsom tilslutning af sensorer i "smarte" bygninger og sikker udveksling af information under driften af ​​fremtidige elbiler.

Muoner: sondering af dybderne af atomaffald

Ligesom Tanaka, Michail Maniatakos fra New York University Abu Dhabi i De Forenede Arabiske Emirater har arbejdet på at udvikle en tilfældig talgenerator fra kosmiske muoner til kryptografi. Men han og hans kolleger fandt ud af, at myoner ikke ankommer til jordens overflade i tilstrækkeligt antal til at generere nok "entropi" på en given tid fra en passende lille detektor. "Vores forskning konkluderede, at myoner ikke er en praktisk tilgang til at finde tilfældighed i et rigtigt system," siger han.

Tanaka anerkender, at myondetektionshastigheder sætter grænser for teknologien, men insisterer på, at hastighederne er tilstrækkelige til trådløs kommunikation over afstande på op til omkring 10 m. I sin demonstration brugte han ret store detektorer – hver på 1 m² – for at maksimere bithastigheden. Tanaka regner dog med, at han kunne krympe detektorerne til en femtedel af deres nuværende størrelse ved at øge nøglegenereringsraten med en faktor på fem. Med hensyn til, hvor lang tid det vil tage at perfektionere teknologien, siger han, at han burde have en fungerende prototype inden for fem år.

En potentiel svaghed i ordningen, bemærker han, er muligheden for, at en aflytning kan placere en tredje detektor mellem afsenderens og modtagerens enheder og optage myon-angrebene uafhængigt. Han regner med, at enhver sådan plan ville være "fuldstændig upraktisk", men siger, at systemet kommer med en indbygget beskyttelse - en lille tidsforskydning sammenlignet med standardtidsudsendelse fra GPS-satellitter. Denne forskydning, som de kommunikerende parter kan ændre på et hvilket som helst tidspunkt efter eget valg, får den potentielle aflytning til at være uenig om muon-ankomsttider - med det resultat, siger han, at de "ikke kan stjæle nøglen til at afkode beskeden".

Forskningen er beskrevet i iScience.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/