Kosmiliste kiirte müonid, mida kasutatakse krüptograafiasüsteemi loomiseks

Kosmiliste kiirtega müüonite juhuslikke saabumisaegu Maa pinnale saab kasutada konfidentsiaalsete teadete kodeerimiseks ja dekodeerimiseks – vastavalt Hiroyuki Tanaka Tokyo ülikoolis. Ta väidab, et uus skeem on teistest krüptosüsteemidest turvalisem, kuna ei nõua sõnumi saatjalt ja vastuvõtjalt salajase võtme vahetamist. Olles laboris kinnitanud tehnoloogia olulisi aspekte, arvab ta, et see on äriliselt konkurentsivõimeline kasutamiseks lühikestel vahemaadel kontorites, andmekeskustes ja eramajades.

Krüptograafilised protokollid hõlmavad salajase võtme genereerimist ja levitamist, mida kasutatakse sõnumite krüptimiseks ja dekrüpteerimiseks. Tänapäeval võivad tavaliselt kasutatavad krüptograafiasüsteemid murda need, kes suudavad leida väga suurte arvude algtegureid. Seda on tavapäraste arvutitega kuradilikult raske teha, kuid tuleviku kvantarvutite abil peaks see olema palju lihtsam ülesanne.

Selle ohuga tegelemise võimaluste hulgas on ka kvant – Heisenbergi määramatuse printsiibi kasutamine tagamaks, et ükski võimalik pealtkuulaja ei saaks võtit varastada ilma oma kohalolekut protsessis paljastamata.

Kvantvead

Kuid isegi sellel "kvantvõtme jaotusel" on oma puudused. Teadlased on näidanud, et on võimalik ära kasutada krüpteerimisriistvara nõrkusi, näiteks ühe footoni detektoritele eredat valgust, et muuta need klassikalisteks seadmeteks. Seda konkreetset probleemi saab vältida, kasutades võtmebittide tuvastamiseks kolmandat osapoolt (kes ei pea olema usaldusväärne), kuid see korraldus on kallim kui lihtne kahe osapoole krüpteerimine.

Tanaka uus ettepanek on loodud pealtkuulajate alistamiseks, pöördudes selle asemel loodusliku ja pidevalt esineva juhuslikkuse ressursi poole: kosmilise kiirga muuonid. Kosmilised kiired, mis koosnevad peamiselt prootonitest, sajuvad sügavast kosmosest alla Maale ning tekitavad atmosfääri tuumadega kokkupõrkel pioonide ja muude osakeste sadu. Need pioonid lagunevad seejärel müüoniteks, mis on elektroni rasked versioonid. Need müüonid tabavad Maa pinda üksteisest täiesti sõltumatult ja suudavad läbida suures koguses tahket materjali, kaotades samal ajal materjalide ioniseerimisel vaid väikese osa oma energiast.

Idee on paigutada sõnumi saatja ja vastuvõtja teineteisele piisavalt lähedale, et nad mõlemad puutuksid kokku samade kosmiliste kiirtega ja saaksid eraldi tuvastada konkreetseid müüone duši all – nimelt osakesi, mille trajektoor läbib detektoreid. mõlemast isikust. Iga kord registreerides nende müüonite saabumisaja ja kasutades ajatempleid krüptograafiliste võtmete juhuslike andmetena, saavad saatja ja vastuvõtja iseseisvalt genereerida samad salajased võtmed – ilma võtmeid üksteisele saatmata.

Sünkroniseeritud kellad

Selle tagamine, et saatja ja vastuvõtja kasutaksid võtmete loomiseks samu müüone, sõltub kahe tuvastamise vahelise täpse viivituse väljatöötamisest, mis tehakse detektorite vahelise kauguse teadmisega (muonid liiguvad tavaliselt 99.95% valguskiirusest), samal ajal hoolikalt sünkroonides. kellad mõlemas otsas. Sünkroonimist saab saavutada globaalse positsioneerimissüsteemi abil, et koordineerida kohalike kellade, näiteks kristallostsillaatorite tiksumist.

Tanaka nimetab oma tehnikat "Cosmic Coding & Transfer" (COSMOCAT) ja see kasutab kahte detektorit, mis mõõdavad müüoni saabumist plaststsintillaatori ja fotokordisti toruga. Möödunud aasta juunis neljal erineval päeval katseid tehes näitas ta, et müüonid saabuvad tõepoolest juhuslikel ajahetkedel – tõenäosus jälgida Poissoni jaotust järgides teatud sündmusi teatud ajavahemikul. Ta näitas ka, et kaks detektorit tekitasid järjekindlalt samu juhuslikke ajatempleid.

Kuid GPS-signaalide ja katse läbiviimiseks kasutatud elektroonika piirangute tõttu suutis ta luua tavalised müüonituvastused (erinevalt muude juhuslike osakeste pealtkuulamisest) umbes 20% juhtudest. Selle probleemi lahendamiseks kasutas vastuvõtja mitut klahvi, et proovida antud sõnumi dekodeerida, ja seejärel liikuda järgmise sõnumi juurde alles siis, kui vastuvõtja oli edust märku andnud.

Targad hooned

Need lisatoimingud lisavad dekrüpteerimisprotsessile aega ja aeglustavad seega andmete edastamise kiirust. Sellegipoolest ütleb Tanaka, et süsteem oleks siiski tunduvalt kiirem kui suur osa olemasolevast tehnoloogiast. Kokkulepitud tuvastamised toimusid tõepoolest keskmiselt umbes 20 Hz juures, mis tähendab, et andmeedastuskiirus on vähemalt 10 Mbps. See on kiirem kui 10 kbps, mis on tüüpiline kohalikule võrgusüsteemile (nt Bluetooth Low Energy). Ta arvab, et see suurem ribalaius peaks muutma uue skeemi atraktiivseks lühitoimelise traadita side jaoks, näiteks andurite ühendamiseks "nutikates" hoonetes ja turvaliseks teabevahetuseks tulevaste elektrisõidukite toite ajal.

Muonid: tuumajäätmete sügavuste uurimine

Nagu Tanaka, Michail Maniatakos Araabia Ühendemiraatides asuva New Yorgi ülikooli Abu Dhabi teadur on töötanud kosmilistest müüonidest juhuslike arvude generaatori väljatöötamisega krüptograafia jaoks. Kuid ta ja ta kolleegid leidsid, et müüone ei jõua Maa pinnale piisaval hulgal, et tekitada sobivalt väikesest detektorist teatud aja jooksul piisavalt "entroopiat". "Meie uuringud jõudsid järeldusele, et müüonid ei ole reaalses süsteemis juhuslikkuse hankimiseks praktiline lähenemisviis, " ütleb ta.

Tanaka tunnistab, et müoonide tuvastamise kiirus seab tehnoloogiale piirid, kuid rõhutab, et kiirus on piisav traadita side jaoks kuni umbes 10 m kaugusel. Oma demonstratsioonis kasutas ta üsna suuri detektoreid – igaüks 1 m² – bitikiiruse maksimeerimiseks. Tanaka aga arvab, et ta võib detektoreid vähendada viiendikuni nende praegusest suurusest, tõstes võtme genereerimise määra viis korda. Selle kohta, kui kaua tehnoloogia täiustamiseks aega kulub, ütleb ta, et töötav prototüüp peaks tal olema viie aasta jooksul.

Ta märgib, et skeemi üks võimalik nõrkus on võimalus, et pealtkuulaja võib paigutada saatja ja vastuvõtja seadmete vahele kolmanda detektori ning registreerida müonilöögid iseseisvalt. Ta arvab, et selline plaan oleks "täiesti ebapraktiline", kuid ütleb, et süsteemil on sisseehitatud kaitseseade – väike ajaline nihe võrreldes GPS-satelliitide poolt edastatava standardajaga. See nihe, mida suhtlevad osapooled saavad igal omal valikul muuta, põhjustab potentsiaalsel pealtkuulajal lahkarvamuse müüoni saabumisaegade osas – lõpptulemusena ütleb ta, et nad "ei saa varastada sõnumi dekodeerimiseks võtit".

Uuringut kirjeldatakse artiklis iScience.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• Platoblockchain. Web3 metaversiooni intelligentsus. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/