Myonen kosmischer Strahlung, die zum Erstellen eines Kryptografiesystems verwendet werden

Die zufälligen Ankunftszeiten von Myonen kosmischer Strahlung auf der Erdoberfläche können verwendet werden, um vertrauliche Nachrichten zu verschlüsseln und zu entschlüsseln – laut Hiroyuki Tanaka an der Universität Tokio. Er behauptet, dass das neue Schema sicherer als andere kryptografische Systeme ist, weil es nicht erfordert, dass der Sender und der Empfänger einer Nachricht einen geheimen Schlüssel austauschen. Nachdem er wichtige Aspekte der Technologie im Labor bestätigt hat, geht er davon aus, dass sie für den Einsatz über kurze Entfernungen in Büros, Rechenzentren und Privathaushalten kommerziell wettbewerbsfähig sein wird.

Kryptographische Protokolle umfassen das Generieren und Verteilen eines geheimen Schlüssels, der zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Nachrichten verwendet wird. Heutzutage könnten häufig verwendete Kryptographiesysteme von denen geknackt werden, die in der Lage sind, die Primfaktoren sehr großer Zahlen zu finden. Dies ist mit herkömmlichen Computern teuflisch schwierig, aber mit Quantencomputern der Zukunft sollte es eine viel einfachere Aufgabe sein.

Zu den Möglichkeiten, mit dieser Bedrohung umzugehen, gehört selbst Quantum – die Verwendung von Heisenbergs Unsicherheitsprinzip, um sicherzustellen, dass potenzielle Lauscher den Schlüssel nicht stehlen können, ohne dabei ihre Anwesenheit preiszugeben.

Quantenfehler

Allerdings hat auch diese „Quantenschlüsselverteilung“ ihre Schwächen. Wissenschaftler haben gezeigt, dass es möglich ist, Schwachstellen in der Verschlüsselungshardware auszunutzen, wie z. B. helles Licht auf Einzelphotonendetektoren zu richten, um sie in klassische Geräte zu verwandeln. Dieses spezielle Problem kann vermieden werden, indem ein Dritter (der nicht vertrauenswürdig sein muss) verwendet wird, um die Erkennung von Schlüsselbits durchzuführen, aber diese Anordnung ist teurer als eine einfache Zwei-Parteien-Verschlüsselung.

Tanakas neuer Vorschlag soll Lauscher ausschalten, indem er sich stattdessen einer natürlichen und allgegenwärtigen Ressource der Zufälligkeit zuwendet: Myonen der kosmischen Strahlung. Kosmische Strahlung, hauptsächlich Protonen, regnet aus dem Weltraum auf die Erde und erzeugt Schauer von Pionen und anderen Teilchen, wenn sie mit Atomkernen in der Atmosphäre kollidieren. Diese Pionen zerfallen dann in Myonen, die schwere Versionen des Elektrons sind. Diese Myonen treffen völlig unabhängig voneinander auf die Erdoberfläche und können große Mengen fester Materie durchdringen und dabei nur einen geringen Teil ihrer Energie durch Ionisierung der Materie verlieren.

Die Idee ist, den Sender und den Empfänger der Nachricht nahe genug beieinander zu positionieren, dass sie beide denselben Schauern kosmischer Strahlung ausgesetzt sind und ihre eigenen getrennten Nachweise bestimmter Myonen innerhalb eines Schauers machen können – nämlich jener Teilchen, deren Flugbahn die Detektoren kreuzt beider Personen. Indem jeweils die Ankunftszeit dieser Myonen aufgezeichnet und die Zeitstempel als Zufallsdaten für kryptografische Schlüssel verwendet werden, können Sender und Empfänger unabhängig voneinander dieselben geheimen Schlüssel generieren – ohne sich die Schlüssel gegenseitig zusenden zu müssen.

Synchronisierte Uhren

Um sicherzustellen, dass Sender und Empfänger dieselben Myonen verwenden, um die Schlüssel zu erzeugen, muss die genaue Zeitverzögerung zwischen den beiden Erkennungen ermittelt werden, was durch die Kenntnis des Abstands zwischen den Detektoren (Myonen bewegen sich normalerweise mit 99.95 % der Lichtgeschwindigkeit) bei sorgfältiger Synchronisierung erfolgt Uhren an jedem Ende. Die Synchronisation kann erreicht werden, indem ein globales Positionsbestimmungssystem verwendet wird, um das Ticken lokaler Uhren wie Kristalloszillatoren zu koordinieren.

Tanaka nennt seine Technik „Cosmic Coding & Transfer“ (COSMOCAT) und verwendet zwei Detektoren, die die Myonenankunft mit einem Plastikszintillator und einem Photomultiplier messen. Mit Tests an vier verschiedenen Tagen im Juni letzten Jahres zeigte er, dass Myonen tatsächlich zu zufälligen Zeitpunkten eintreffen – die Wahrscheinlichkeit, eine bestimmte Anzahl von Ereignissen in einem bestimmten Zeitraum nach einer Poisson-Verteilung zu beobachten. Er zeigte auch, dass die beiden Detektoren durchweg die gleichen, zufälligen Zeitstempel produzierten.

Aufgrund von Einschränkungen bei den GPS-Signalen und der zur Durchführung des Experiments verwendeten Elektronik war er jedoch nur in der Lage, in etwa 20 % der Fälle gemeinsame Myon-Erkennungen (im Gegensatz zum Abfangen anderer zufälliger Teilchen) zu etablieren. Um dieses Problem zu überwinden, musste der Empfänger mehrere Schlüssel verwenden, um zu versuchen, eine bestimmte Nachricht zu entschlüsseln, und dann erst dann zur nächsten Nachricht übergehen, wenn der Empfänger Erfolg signalisiert hatte.

Intelligente Gebäude

Diese zusätzlichen Schritte verlängern den Entschlüsselungsprozess und verlangsamen so die Rate, mit der Daten übertragen werden können. Nichtsdestotrotz sagt Tanaka, dass das System immer noch erheblich schneller wäre als viele bestehende Technologien. Tatsächlich fanden vereinbarte Erkennungen bei durchschnittlich etwa 20 Hz statt, was eine Datenübertragungsrate von mindestens 10 Mbit/s impliziert. Dies ist schneller als die 10 kbps, die typisch für ein lokales Netzwerksystem wie Bluetooth Low Energy sind. Er geht davon aus, dass diese größere Bandbreite das neue Schema für drahtlose Kurzstreckenkommunikation attraktiv machen sollte, z. B. für die Verbindung von Sensoren in „intelligenten“ Gebäuden und den sicheren Austausch von Informationen während der Stromversorgung zukünftiger Elektrofahrzeuge.

Myonen: Erkundung der Tiefen des Atommülls

Wie Tanaka, Michail Maniatakos der New York University Abu Dhabi in den Vereinigten Arabischen Emiraten hat an der Entwicklung eines Zufallszahlengenerators aus kosmischen Myonen für die Kryptographie gearbeitet. Er und seine Kollegen stellten jedoch fest, dass Myonen nicht in ausreichender Zahl auf der Erdoberfläche ankommen, um mit einem entsprechend kleinen Detektor in einer bestimmten Zeit genügend „Entropie“ zu erzeugen. „Unsere Forschung kam zu dem Schluss, dass Myonen kein praktischer Ansatz sind, um Zufälligkeiten in einem realen System zu erzeugen“, sagt er.

Tanaka räumt ein, dass die Myonenerkennungsraten der Technologie Grenzen setzen, besteht jedoch darauf, dass die Raten für die drahtlose Kommunikation über Entfernungen von bis zu etwa 10 m angemessen sind. In seiner Demonstration verwendete er ziemlich große Detektoren – jeder misst 1 m² – um die Bitrate zu maximieren. Tanaka geht jedoch davon aus, dass er die Detektoren auf ein Fünftel ihrer derzeitigen Größe verkleinern könnte, indem er die Schlüsselerzeugungsrate um den Faktor fünf erhöht. Wie lange es dauern wird, die Technologie zu perfektionieren, sagt er, er sollte innerhalb von fünf Jahren einen funktionierenden Prototyp haben.

Eine potenzielle Schwachstelle des Schemas, stellt er fest, ist die Möglichkeit, dass ein Lauscher einen dritten Detektor zwischen den Geräten des Senders und des Empfängers positionieren und die Myonenschläge unabhängig voneinander aufzeichnen könnte. Er meint, dass ein solcher Plan „völlig unpraktisch“ wäre, sagt aber, dass das System mit einem eingebauten Schutz ausgestattet ist – einem kleinen zeitlichen Versatz im Vergleich zur Standardzeit, die von GPS-Satelliten ausgestrahlt wird. Dieser Offset, den die kommunizierenden Parteien jederzeit ändern können, führt dazu, dass der potenzielle Lauscher über die Ankunftszeiten der Myonen nicht einverstanden ist – mit der Folge, dass er „den Schlüssel zur Entschlüsselung der Nachricht nicht stehlen kann“.

Die Forschung ist beschrieben in iScience.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• Platoblockkette. Web3-Metaverse-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/