Μιόνια κοσμικής ακτίνας που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία συστήματος κρυπτογραφίας

Οι τυχαίοι χρόνοι άφιξης των μιονίων της κοσμικής ακτίνας στην επιφάνεια της Γης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση και την αποκωδικοποίηση εμπιστευτικών μηνυμάτων – σύμφωνα με Hiroyuki Tanaka στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο. Ισχυρίζεται ότι το νέο σχήμα είναι πιο ασφαλές από άλλα κρυπτογραφικά συστήματα, επειδή δεν απαιτεί από τον αποστολέα και τον παραλήπτη ενός μηνύματος να ανταλλάξουν ένα μυστικό κλειδί. Έχοντας επιβεβαιώσει σημαντικές πτυχές της τεχνολογίας στο εργαστήριο, εκτιμά ότι θα είναι εμπορικά ανταγωνιστική για χρήση σε μικρές αποστάσεις σε γραφεία, κέντρα δεδομένων και ιδιωτικές κατοικίες.

Τα κρυπτογραφικά πρωτόκολλα περιλαμβάνουν τη δημιουργία και τη διανομή ενός μυστικού κλειδιού που χρησιμοποιείται για την κρυπτογράφηση και την αποκρυπτογράφηση μηνυμάτων. Σήμερα, τα συστήματα κρυπτογραφίας που χρησιμοποιούνται συνήθως θα μπορούσαν να σπάσουν από εκείνους που έχουν την ικανότητα να βρίσκουν τους πρώτους παράγοντες πολύ μεγάλων αριθμών. Αυτό είναι τρομερά δύσκολο να γίνει χρησιμοποιώντας συμβατικούς υπολογιστές, αλλά θα πρέπει να είναι πολύ πιο εύκολο έργο χρησιμοποιώντας κβαντικούς υπολογιστές του μέλλοντος.

Μεταξύ των επιλογών για την αντιμετώπιση αυτής της απειλής είναι η ίδια η κβαντική – η χρήση της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg για να διασφαλιστεί ότι οποιοσδήποτε επίδοξος υποκλοπής δεν μπορεί να κλέψει το κλειδί χωρίς να αποκαλύψει την παρουσία του στη διαδικασία.

Κβαντικά ελαττώματα

Ωστόσο, ακόμη και αυτή η «κβαντική κατανομή κλειδιών» έχει τα μειονεκτήματά της. Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι είναι δυνατό να εκμεταλλευτούν τις αδυναμίες του υλικού κρυπτογράφησης, όπως το έντονο φως σε ανιχνευτές ενός φωτονίου για να τους μετατρέψουν σε κλασικές συσκευές. Αυτό το συγκεκριμένο πρόβλημα μπορεί να αποφευχθεί χρησιμοποιώντας ένα τρίτο μέρος (που δεν χρειάζεται να είναι αξιόπιστο) για να πραγματοποιήσει τον εντοπισμό των bits κλειδιών, αλλά αυτή η ρύθμιση είναι πιο ακριβή από την απλή κρυπτογράφηση δύο μερών.

Η νέα πρόταση του Tanaka έχει σχεδιαστεί για να νικήσει τους κρυφακούς στρέφοντας αντ' αυτού σε μια φυσική και πάντα παρούσα πηγή τυχαίας: τα μιόνια κοσμικής ακτίνας. Οι κοσμικές ακτίνες, που είναι κυρίως πρωτόνια, πέφτουν βροχή στη Γη από το βαθύ διάστημα και δημιουργούν βροχές από πιόνια και άλλα σωματίδια όταν συγκρούονται με πυρήνες στην ατμόσφαιρα. Αυτά τα πιόνια στη συνέχεια διασπώνται σε μιόνια, τα οποία είναι βαριές εκδοχές του ηλεκτρονίου. Αυτά τα μιόνια χτυπούν την επιφάνεια της Γης εντελώς ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και είναι σε θέση να περάσουν μέσα από μεγάλες ποσότητες στερεού υλικού ενώ χάνουν μόνο ένα μικρό κλάσμα της ενέργειάς τους ιονίζοντας τα υλικά.

Η ιδέα είναι να τοποθετηθούν ο αποστολέας και ο δέκτης του μηνύματος αρκετά κοντά ο ένας στον άλλον ώστε να εκτίθενται και οι δύο στις ίδιες βροχές κοσμικών ακτίνων και να μπορούν να κάνουν τις δικές τους ξεχωριστές ανιχνεύσεις συγκεκριμένων μιονίων μέσα σε ένα ντους – συγκεκριμένα, εκείνα τα σωματίδια των οποίων η τροχιά διασχίζει τους ανιχνευτές και των δύο ατόμων. Με κάθε καταγραφή της ώρας άφιξης αυτών των μιονίων και χρησιμοποιώντας τις χρονικές σημάνσεις ως τυχαία δεδομένα για κρυπτογραφικά κλειδιά, ο αποστολέας και ο παραλήπτης μπορούν να δημιουργήσουν ανεξάρτητα τα ίδια μυστικά κλειδιά - χωρίς να χρειάζεται να στείλουν τα κλειδιά ο ένας στον άλλο.

Συγχρονισμένα ρολόγια

Η διασφάλιση ότι ο αποστολέας και ο παραλήπτης χρησιμοποιούν τα ίδια μιόνια για τη δημιουργία των πλήκτρων βασίζεται στον προσδιορισμό της ακριβούς χρονικής καθυστέρησης μεταξύ των δύο ανιχνεύσεων, η οποία γίνεται γνωρίζοντας την απόσταση μεταξύ των ανιχνευτών (τα μιόνια ταξιδεύουν συνήθως στο 99.95% της ταχύτητας φωτός) ενώ συγχρονίζονται προσεκτικά ρολόγια σε κάθε άκρο. Ο συγχρονισμός μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας ένα σύστημα καθολικής τοποθέτησης για τον συντονισμό του χτυπήματος των τοπικών ρολογιών, όπως οι κρυσταλλικοί ταλαντωτές.

Ο Tanaka αποκαλεί την τεχνική του "Cosmic Coding & Transfer" (COSMOCAT) και χρησιμοποιεί δύο ανιχνευτές που μετρούν την άφιξη του μιονίου με έναν πλαστικό σπινθηριστή και έναν σωλήνα φωτοπολλαπλασιαστή. Πραγματοποιώντας δοκιμές σε τέσσερις διαφορετικές ημέρες τον περασμένο Ιούνιο, έδειξε ότι τα μιόνια όντως φτάνουν σε τυχαία χρονικά σημεία - την πιθανότητα παρατήρησης ενός δεδομένου αριθμού γεγονότων σε μια συγκεκριμένη περίοδο μετά από μια κατανομή Poissonian. Έδειξε επίσης ότι οι δύο ανιχνευτές παρήγαγαν με συνέπεια τις ίδιες, τυχαίες χρονικές σφραγίδες.

Ωστόσο, λόγω των περιορισμών στα σήματα GPS και στα ηλεκτρονικά που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή του πειράματος, μπόρεσε να δημιουργήσει κοινές ανιχνεύσεις μιονίων (σε αντίθεση με την αναχαίτιση άλλων τυχαίων σωματιδίων) σε περίπου 20% των περιπτώσεων. Η αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος περιελάμβανε τη χρήση πολλαπλών πλήκτρων από τον παραλήπτη για να προσπαθήσει να αποκωδικοποιήσει ένα δεδομένο μήνυμα και στη συνέχεια να προχωρήσει στο επόμενο μήνυμα μόνο όταν ο δέκτης είχε σηματοδοτήσει την επιτυχία.

Έξυπνα κτίρια

Αυτά τα επιπλέον βήματα προσθέτουν χρόνο στη διαδικασία αποκρυπτογράφησης και έτσι επιβραδύνουν τον ρυθμό με τον οποίο μπορούν να μεταδοθούν τα δεδομένα. Παρόλα αυτά, ο Tanaka λέει ότι το σύστημα θα είναι ακόμα πολύ πιο γρήγορο από πολλές υπάρχουσες τεχνολογίες. Πράγματι, οι συμφωνημένες ανιχνεύσεις πραγματοποιήθηκαν κατά μέσο όρο περίπου 20 Hz, υποδηλώνοντας ρυθμό μετάδοσης δεδομένων τουλάχιστον 10 Mbps. Αυτό είναι ταχύτερο από τα 10 kbps που είναι τυπικά για ένα σύστημα τοπικού δικτύου όπως το Bluetooth Low Energy. Εκτιμά ότι αυτό το μεγαλύτερο εύρος ζώνης θα πρέπει να κάνει το νέο σχήμα ελκυστικό για ασύρματη επικοινωνία μικρής εμβέλειας, όπως η σύνδεση αισθητήρων σε «έξυπνα» κτίρια και η ασφαλής ανταλλαγή πληροφοριών κατά την τροφοδοσία μελλοντικών ηλεκτρικών οχημάτων.

Μιόνια: ανιχνεύοντας τα βάθη των πυρηνικών αποβλήτων

Όπως ο Tanaka, Μιχαήλ Μανιάτακος του Πανεπιστημίου της Νέας Υόρκης του Άμπου Ντάμπι στα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα έχει εργαστεί για την ανάπτυξη μιας γεννήτριας τυχαίων αριθμών από κοσμικά μιόνια για κρυπτογράφηση. Αλλά αυτός και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι τα μιόνια δεν φτάνουν στην επιφάνεια της Γης σε επαρκή αριθμό για να δημιουργήσουν αρκετή «εντροπία» σε δεδομένο χρονικό διάστημα από έναν κατάλληλα μικρό ανιχνευτή. «Η έρευνά μας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι τα μιόνια δεν είναι μια πρακτική προσέγγιση για την προμήθεια τυχαίας σε ένα πραγματικό σύστημα», λέει.

Ο Tanaka αναγνωρίζει ότι οι ρυθμοί ανίχνευσης μιονίων θέτουν όρια στην τεχνολογία, αλλά επιμένει ότι οι ρυθμοί είναι επαρκείς για ασύρματη επικοινωνία σε αποστάσεις έως περίπου 10 m. Στην επίδειξή του χρησιμοποίησε αρκετά μεγάλους ανιχνευτές – ο καθένας είχε μέγεθος 1 m² – για να μεγιστοποιήσετε τον ρυθμό μετάδοσης bit. Ωστόσο, ο Tanaka πιστεύει ότι θα μπορούσε να συρρικνώσει τους ανιχνευτές στο ένα πέμπτο του τρέχοντος μεγέθους τους αυξάνοντας τον ρυθμό παραγωγής κλειδιού κατά πέντε. Όσον αφορά τον χρόνο που θα χρειαστεί για να τελειοποιήσει την τεχνολογία, λέει ότι θα πρέπει να έχει ένα λειτουργικό πρωτότυπο μέσα σε πέντε χρόνια.

Μια πιθανή αδυναμία του σχεδίου, σημειώνει, είναι η πιθανότητα ότι ένας κρυφακάς θα μπορούσε να τοποθετήσει έναν τρίτο ανιχνευτή μεταξύ των συσκευών του αποστολέα και του δέκτη και να καταγράψει ανεξάρτητα τα χτυπήματα του μιονίου. Εκτιμά ότι οποιοδήποτε τέτοιο σχέδιο θα ήταν «εντελώς ανέφικτο», αλλά λέει ότι το σύστημα συνοδεύεται από μια ενσωματωμένη προστασία - μια μικρή χρονική μετατόπιση σε σύγκριση με την τυπική ώρα μετάδοσης από δορυφόρους GPS. Αυτή η μετατόπιση, την οποία τα επικοινωνούντα μέρη μπορούν να αλλάξουν ανά πάσα στιγμή της επιλογής τους, αναγκάζει τον επίδοξο υποκλοπή να διαφωνήσει για τους χρόνους άφιξης του μιονίου – με το αποτέλεσμα, λέει, ότι «δεν μπορούν να κλέψουν το κλειδί για να αποκωδικοποιήσουν το μήνυμα».

Η έρευνα περιγράφεται στο iScience.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/