Kosmisen säteen myonit, joita käytettiin salausjärjestelmän luomiseen

Kosmisen säteilyn myonien satunnaisia ​​saapumisaikoja maan pinnalle voidaan käyttää luottamuksellisten viestien koodaamiseen ja dekoodaamiseen – Hiroyuki Tanaka Tokion yliopistossa. Hän väittää, että uusi järjestelmä on turvallisempi kuin muut salausjärjestelmät, koska se ei vaadi viestin lähettäjältä ja vastaanottajalta salaista avainta. Vahvistettuaan tekniikan tärkeät näkökohdat laboratoriossa hän uskoo sen olevan kaupallisesti kilpailukykyinen käytettäväksi lyhyillä etäisyyksillä toimistoissa, datakeskuksissa ja yksityiskodeissa.

Salausprotokollat ​​sisältävät salaisen avaimen luomisen ja jakamisen, jota käytetään viestien salaamiseen ja salauksen purkamiseen. Nykyään yleisesti käytetyt salausjärjestelmät voivat murtaa ne, jotka pystyvät löytämään erittäin suurten lukujen päätekijät. Tämä on pirun vaikeaa tehdä perinteisillä tietokoneilla, mutta sen pitäisi olla paljon helpompi tehtävä tulevaisuuden kvanttitietokoneilla.

Yksi vaihtoehto tämän uhan torjumiseksi on itse kvantti – Heisenbergin epävarmuusperiaatteen käyttö sen varmistamiseksi, että mahdollinen salakuuntelija ei voi varastaa avainta paljastamatta läsnäoloaan prosessissa.

Kvanttivirheitä

Jopa tällä "kvanttiavainjakaumalla" on kuitenkin puutteita. Tutkijat ovat osoittaneet, että on mahdollista hyödyntää salauslaitteiston heikkouksia, kuten yksifotonisten ilmaisimien kirkasta valoa, jotta ne voidaan muuttaa klassisiksi laitteiksi. Tämä erityinen ongelma voidaan välttää käyttämällä kolmatta osapuolta (jonka ei tarvitse olla luotettava) suorittamaan avainbittien havaitsemisen, mutta tämä järjestely on kalliimpi kuin yksinkertainen kahden osapuolen salaus.

Tanakan uusi ehdotus on suunniteltu voittamaan salakuuntelijat kääntymällä sen sijaan luonnolliseen ja jatkuvasti läsnä olevaan satunnaisuuden resurssiin: kosmisen säteen myoneihin. Kosmiset säteet, jotka ovat pääosin protoneja, sataa alas maan päälle syvästä avaruudesta ja synnyttävät pionien ja muiden hiukkasten suihkua, kun ne törmäävät ilmakehän ytimiin. Nämä pionit hajoavat sitten myoneiksi, jotka ovat elektronin raskaita versioita. Nämä myonit osuvat Maan pintaan täysin toisistaan ​​riippumatta ja pystyvät kulkemaan suuria määriä kiinteää ainetta menettäen vain pienen osan energiastaan ​​ionisoimalla materiaaleja.

Ajatuksena on sijoittaa viestin lähettäjä ja vastaanottaja riittävän lähelle toisiaan, jotta ne molemmat altistuvat samoille kosmisen säteilysuihkulle ja voivat tehdä omat erilliset havainnot tietyistä myoneista suihkun sisällä – nimittäin niistä hiukkasista, joiden liikerata ylittää ilmaisimien. molemmista yksilöistä. Kukin tallentamalla näiden myonien saapumisajan ja käyttämällä aikaleimoja salausavainten satunnaisina tietoina lähettäjä ja vastaanottaja voivat itsenäisesti generoida samat salaiset avaimet – ilman, että avaimia tarvitsee lähettää toisilleen.

Synkronoidut kellot

Sen varmistaminen, että lähettäjä ja vastaanottaja käyttävät samoja myoneja avainten luomiseen, riippuu kahden ilmaisun välisen tarkan aikaviiveen selvittämisestä, mikä tehdään tuntemalla ilmaisimien välinen etäisyys (myonit kulkevat tyypillisesti 99.95 % valon nopeudella) samalla kun ne synkronoidaan huolellisesti. kellot molemmissa päissä. Synkronointi voidaan saavuttaa käyttämällä globaalia paikannusjärjestelmää paikallisten kellojen, kuten kideoskillaattorien, tikityksen koordinoimiseksi.

Tanaka kutsuu tekniikkaansa "Cosmic Coding & Transfer" (COSMOCAT) ja se käyttää kahta ilmaisinta, jotka mittaavat myonin saapumista muovisella tuikeputkella ja valomonistinputkella. Suorittamalla testejä neljänä eri päivänä viime vuoden kesäkuussa, hän osoitti, että myonit todellakin saapuvat satunnaisiin ajankohtaan - todennäköisyyteen havaita tietty määrä tapahtumia tietyllä ajanjaksolla Poissonin jakauman jälkeen. Hän osoitti myös, että kaksi ilmaisinta tuottivat johdonmukaisesti samoja, satunnaisia ​​aikaleimoja.

Kuitenkin GPS-signaalien ja kokeen suorittamiseen käytetyn elektroniikan rajoitusten vuoksi hän pystyi muodostamaan yleisiä myonihavaintoja (toisin kuin muiden satunnaisten hiukkasten sieppaamisessa) vain noin 20 %:ssa tapauksista. Tämän ongelman voittamiseksi vastaanottaja käytti useita näppäimiä tietyn viestin dekoodaamiseen ja siirtyi sitten seuraavaan viestiin vasta, kun vastaanottaja oli ilmoittanut onnistumisesta.

Älykkäät rakennukset

Nämä lisävaiheet lisäävät salauksen purkuprosessiin aikaa ja siten hidastavat tiedonsiirtonopeutta. Siitä huolimatta Tanaka sanoo, että järjestelmä olisi silti huomattavasti nopeampi kuin paljon olemassa olevaa tekniikkaa. Itse asiassa sovitut havainnot tapahtuivat keskimäärin noin 20 Hz:n taajuudella, mikä tarkoittaa vähintään 10 Mbps:n tiedonsiirtonopeutta. Tämä on nopeampi kuin 10 kbps, joka on tyypillinen paikalliselle verkkojärjestelmälle, kuten Bluetooth Low Energy. Hän arvioi, että tämän suuremman kaistanleveyden pitäisi tehdä uudesta järjestelmästä houkutteleva lyhyen kantaman langattomalle tiedonsiirtolle, kuten antureiden yhdistämiselle "älykkäisiin" rakennuksiin ja turvalliseen tietojen vaihtoon tulevien sähköajoneuvojen virransyötön aikana.

Muonit: ydinjätteen syvyyksien tutkiminen

Kuten Tanaka, Michail Maniatakos New Yorkin yliopiston Abu Dhabissa Yhdistyneissä arabiemiirikunnissa on työskennellyt satunnaislukugeneraattorin kehittämiseksi kosmisista myoneista salausta varten. Mutta hän ja hänen kollegansa havaitsivat, että myoneja ei saavu maan pinnalle riittävässä määrin muodostamaan tarpeeksi "entropiaa" tietyssä ajassa sopivan pienestä ilmaisimesta. "Tutkimuksemme päätyi siihen, että myonit eivät ole käytännöllinen tapa saada satunnaisuus todellisessa järjestelmässä", hän sanoo.

Tanaka myöntää, että myonien havaitsemisnopeudet asettavat rajoja teknologialle, mutta vaatii, että nopeudet ovat riittävät langattomaan viestintään jopa noin 10 metrin etäisyyksillä. Esittelyssään hän käytti melko suuria ilmaisimia – kukin 1 m² – bittinopeuden maksimoimiseksi. Tanaka kuitenkin arvioi, että hän voisi pienentää ilmaisimia viidesosaan nykyisestä koostaan ​​nostamalla avainten luontinopeutta kertoimella viisi. Mitä tulee siihen, kuinka kauan tekniikan kehittäminen kestää, hän sanoo, että toimiva prototyyppi pitäisi saada viiden vuoden sisällä.

Yksi mahdollinen heikkous järjestelmässä, hän huomauttaa, on mahdollisuus, että salakuuntelija voisi sijoittaa kolmannen ilmaisimen lähettäjän ja vastaanottajan laitteiden väliin ja tallentaa myonin iskut itsenäisesti. Hän arvioi, että tällainen suunnitelma olisi "täysin epäkäytännöllinen", mutta sanoo, että järjestelmässä on sisäänrakennettu suoja - pieni ajallinen poikkeama verrattuna GPS-satelliittien lähettämään normaaliaikaan. Tämä poikkeama, jota kommunikoivat osapuolet voivat muuttaa milloin tahansa valitsemaansa ajankohtana, saa mahdollisen salakuuntelijan olemaan eri mieltä myonin saapumisajoista – lopputuloksena hän sanoo, että he "eivät voi varastaa avainta viestin purkamiseen".

Tutkimusta kuvataan iScience.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/