Muones de rayos cósmicos utilizados para crear un sistema de criptografía

Los tiempos de llegada aleatorios de los muones de rayos cósmicos a la superficie de la Tierra se pueden usar para codificar y decodificar mensajes confidenciales, según Hiroyuki Tanaka en la Universidad de Tokio. Afirma que el nuevo esquema es más seguro que otros sistemas criptográficos porque no requiere que el remitente y el receptor de un mensaje intercambien una clave secreta. Habiendo confirmado aspectos importantes de la tecnología en el laboratorio, considera que será comercialmente competitiva para su uso en distancias cortas en oficinas, centros de datos y hogares privados.

Los protocolos criptográficos implican generar y distribuir una clave secreta que se utiliza para cifrar y descifrar mensajes. Hoy en día, los sistemas criptográficos de uso común podrían ser descifrados por aquellos que tienen la capacidad de encontrar los factores primos de números muy grandes. Esto es endiabladamente difícil de hacer con computadoras convencionales, pero debería ser una tarea mucho más fácil con las computadoras cuánticas del futuro.

Entre las opciones para hacer frente a esta amenaza está la propia cuántica: el uso del principio de incertidumbre de Heisenberg para garantizar que cualquier posible intruso no pueda robar la clave sin revelar su presencia en el proceso.

Defectos cuánticos

Sin embargo, incluso esta "distribución de clave cuántica" tiene sus defectos. Los científicos han demostrado que es posible explotar las debilidades en el hardware de encriptación, como hacer brillar una luz brillante en los detectores de un solo fotón para convertirlos en dispositivos clásicos. Este problema en particular se puede evitar utilizando un tercero (que no necesita ser de confianza) para llevar a cabo la detección de bits clave, pero esta disposición es más costosa que el cifrado directo de dos partes.

La nueva propuesta de Tanaka está diseñada para derrotar a los espías recurriendo en su lugar a un recurso natural y omnipresente de aleatoriedad: los muones de rayos cósmicos. Los rayos cósmicos, que son principalmente protones, caen sobre la Tierra desde el espacio profundo y generan lluvias de piones y otras partículas cuando chocan con núcleos en la atmósfera. Esos piones luego se descomponen en muones, que son versiones pesadas del electrón. Estos muones golpean la superficie de la Tierra de forma completamente independiente entre sí y pueden atravesar grandes cantidades de material sólido mientras pierden solo una pequeña fracción de su energía al ionizar los materiales.

La idea es colocar al emisor y al receptor del mensaje lo suficientemente cerca uno del otro para que ambos estén expuestos a las mismas lluvias de rayos cósmicos y puedan hacer sus propias detecciones separadas de muones específicos dentro de una lluvia, es decir, aquellas partículas cuya trayectoria cruza los detectores. de ambos individuos. Al registrar cada uno la hora de llegada de esos muones y usar las marcas de tiempo como datos aleatorios para las claves criptográficas, el remitente y el receptor pueden generar de forma independiente las mismas claves secretas, sin tener que enviarse las claves entre sí.

relojes sincronizados

Asegurarse de que el emisor y el receptor utilicen los mismos muones para crear las claves se basa en calcular el retraso de tiempo preciso entre las dos detecciones, lo que se logra conociendo la distancia entre los detectores (los muones generalmente viajan al 99.95 % de la velocidad de la luz) mientras se sincronizan cuidadosamente relojes en cada extremo. La sincronización se puede lograr utilizando un sistema de posicionamiento global para coordinar el tictac de los relojes locales, como los osciladores de cristal.

Tanaka llama a su técnica “Codificación y transferencia cósmica” (COSMOCAT) y utiliza dos detectores que miden la llegada de muones con un centelleador de plástico y un tubo fotomultiplicador. Al realizar pruebas en cuatro días diferentes en junio del año pasado, demostró que los muones llegan a puntos aleatorios en el tiempo: la probabilidad de observar un número determinado de eventos en un período determinado siguiendo una distribución de Poisson. También mostró que los dos detectores producían consistentemente las mismas marcas de tiempo aleatorias.

Sin embargo, debido a las limitaciones en las señales de GPS y la electrónica utilizada para llevar a cabo el experimento, solo pudo establecer detecciones de muones comunes (a diferencia de la intercepción de otras partículas aleatorias) en aproximadamente el 20% de los casos. Superar este problema implicó que el receptor usara múltiples teclas para tratar de decodificar un mensaje determinado y luego pasar al siguiente mensaje solo una vez que el receptor hubiera indicado que tenía éxito.

Edificios inteligentes

Estos pasos adicionales agregan tiempo al proceso de descifrado y, por lo tanto, ralentizan la velocidad a la que se pueden transmitir los datos. Sin embargo, Tanaka dice que el sistema seguiría siendo considerablemente más rápido que gran parte de la tecnología existente. De hecho, las detecciones acordadas tuvieron lugar a un promedio de alrededor de 20 Hz, lo que implica una velocidad de transmisión de datos de al menos 10 Mbps. Esto es más rápido que los 10 kbps típicos de un sistema de red local como Bluetooth Low Energy. Considera que este mayor ancho de banda debería hacer que el nuevo esquema sea atractivo para la comunicación inalámbrica de corto alcance, como la conexión de sensores dentro de edificios "inteligentes" y el intercambio seguro de información durante la alimentación de futuros vehículos eléctricos.

Muones: explorando las profundidades de los desechos nucleares

como Tanaka, Michail Maniatakos de la Universidad de Nueva York en Abu Dhabi, en los Emiratos Árabes Unidos, ha trabajado en el desarrollo de un generador de números aleatorios a partir de muones cósmicos para criptografía. Pero él y sus colegas descubrieron que los muones no llegan a la superficie de la Tierra en cantidades suficientes para generar suficiente "entropía" en un período de tiempo determinado a partir de un detector adecuadamente pequeño. “Nuestra investigación concluyó que los muones no son un enfoque práctico para generar aleatoriedad en un sistema real”, dice.

Tanaka reconoce que las tasas de detección de muones imponen límites a la tecnología, pero insiste en que las tasas son adecuadas para la comunicación inalámbrica en distancias de hasta unos 10 m. En su demostración, utilizó detectores bastante grandes, cada uno de los cuales medía 1 m.² – para maximizar la tasa de bits. Sin embargo, Tanaka cree que podría reducir los detectores a una quinta parte de su tamaño actual aumentando la tasa de generación de claves por un factor de cinco. En cuanto a cuánto tiempo llevará perfeccionar la tecnología, dice que debería tener un prototipo funcional dentro de cinco años.

Una posible debilidad en el esquema, señala, es la posibilidad de que un intruso pueda colocar un tercer detector entre los dispositivos del emisor y del receptor y registrar los impactos de muones de forma independiente. Él considera que cualquier plan de este tipo sería "totalmente impráctico", pero dice que el sistema viene con una protección incorporada: una pequeña compensación temporal en comparación con la transmisión de tiempo estándar por satélites GPS. Este desplazamiento, que las partes que se comunican pueden cambiar en cualquier momento de su elección, hace que el posible intruso no esté de acuerdo con los tiempos de llegada de los muones, con el resultado, dice, de que "no pueden robar la clave para decodificar el mensaje".

La investigación se describe en iCiencia.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/