Kozmikus sugárzású müonok, amelyeket titkosítási rendszer létrehozására használnak

A kozmikus sugárzás müonjainak a Föld felszínére való véletlenszerű érkezési idejét bizalmas üzenetek kódolására és dekódolására lehet használni – a Hiroyuki Tanaka a Tokiói Egyetemen. Azt állítja, hogy az új séma biztonságosabb, mint a többi kriptográfiai rendszer, mert nem követeli meg az üzenet küldőjének és fogadójának titkos kulcs cseréjét. Miután megerősítette a technológia fontos szempontjait a laboratóriumban, úgy véli, hogy az üzletileg versenyképes lesz az irodákban, adatközpontokban és magánlakásokban való rövid távolságokon történő használat során.

A kriptográfiai protokollok magukban foglalják az üzenetek titkosítására és visszafejtésére használt titkos kulcs létrehozását és elosztását. Ma az általánosan használt kriptográfiai rendszereket feltörhetik azok, akik képesek nagyon nagy számok elsődleges tényezőit megtalálni. Ezt ördögien nehéz megtenni hagyományos számítógépekkel, de a jövő kvantumszámítógépeivel sokkal könnyebb feladatnak kell lennie.

E fenyegetés kezelésének lehetőségei között szerepel maga a kvantum – a Heisenberg-féle bizonytalansági elv alkalmazása annak biztosítására, hogy a lehallgató lehallgató ne lophassa el a kulcsot anélkül, hogy felfedné jelenlétét a folyamatban.

Kvantumhibák

Azonban még ennek a „kvantumkulcs-elosztásnak” is megvannak a maga hibái. A tudósok kimutatták, hogy lehetséges kihasználni a titkosítási hardver gyengeségeit, például az egyfoton detektorok erős megvilágítását, hogy klasszikus eszközökké alakítsák azokat. Ez a sajátos probléma elkerülhető, ha harmadik felet (akinek nem kell megbízhatónak lenni) a kulcsbitek észlelésére, de ez az elrendezés drágább, mint az egyszerű kétoldalú titkosítás.

Tanaka új javaslata úgy készült, hogy legyőzze a lehallgatókat, ehelyett a véletlenszerűség természetes és mindig jelenlévő erőforrásához: a kozmikus sugárzású müonokhoz fordul. A főként protonokból álló kozmikus sugarak a mélyűrből záporoznak le a Földre, és pion- és egyéb részecskék záporait generálják, amikor a légkörben lévő atommagokkal ütköznek. Ezek a pionok ezután müonokká bomlanak le, amelyek az elektron nehéz változatai. Ezek a müonok egymástól teljesen függetlenül csapódnak le a Föld felszínére, és nagy mennyiségű szilárd anyagon képesek áthaladni, miközben energiájuknak csak egy kis részét veszítik el az anyagok ionizálásával.

Az ötlet az, hogy az üzenet küldőjét és vevőjét elég közel helyezzék el egymáshoz, hogy mindketten ugyanazoknak a kozmikus sugárzásoknak legyenek kitéve, és külön-külön képesek legyenek detektálni a záporon belüli meghatározott müonokat – nevezetesen azokat a részecskéket, amelyek pályája keresztezi a detektorokat. mindkét személyről. A müonok érkezési idejének minden egyes rögzítésével és az időbélyegek véletlenszerű titkosítási adatként való felhasználásával a küldő és a fogadó egymástól függetlenül ugyanazokat a titkos kulcsokat állíthatja elő – anélkül, hogy a kulcsokat egymásnak el kellene küldeniük.

Szinkronizált órák

Annak biztosítása, hogy a küldő és a vevő ugyanazokat a müonokat használja a kulcsok létrehozásához, a két észlelés közötti pontos késleltetés kiszámításán alapul, ami a detektorok közötti távolság ismeretében történik (a müonok általában a fénysebesség 99.95%-ával haladnak), miközben gondos szinkronizálást végeznek. órák mindkét végén. A szinkronizálás egy globális helymeghatározó rendszerrel valósítható meg a helyi órák, például kristályoszcillátorok ketyegésének koordinálására.

Tanaka technikáját „Cosmic Coding & Transfer”-nek (COSMOCAT) nevezi, és két detektort használ, amelyek műanyag szcintillátorral és fotosokszorozó csővel mérik a müonok érkezését. Múlt év júniusában négy különböző napon végzett tesztek során kimutatta, hogy a müonok valóban véletlenszerű időpontokban érkeznek meg – ez annak a valószínűsége, hogy egy adott időszakban egy Poisson-eloszlást követően adott számú eseményt megfigyelnek. Azt is kimutatta, hogy a két detektor következetesen ugyanazokat, véletlenszerű időbélyegeket produkálja.

A GPS-jelek és a kísérlet végrehajtásához használt elektronika korlátai miatt azonban csak az esetek 20%-ában tudott közös müondetektálást létrehozni (ellentétben más véletlenszerű részecskék elfogásával). Ennek a problémának a leküzdése során a fogadó több kulcsot használt, hogy megpróbálja dekódolni az adott üzenetet, majd csak akkor lépjen tovább a következő üzenetre, ha a vevő jelezte a sikert.

Intelligens épületek

Ezek az extra lépések megnövelik a visszafejtési folyamatot, és így lelassítják az adatok átvitelének sebességét. Mindazonáltal Tanaka azt mondja, hogy a rendszer még mindig lényegesen gyorsabb lenne, mint sok meglévő technológia. Valójában a megállapodás szerinti észlelések átlagosan 20 Hz körüli frekvencián történtek, ami legalább 10 Mbps adatátviteli sebességet jelent. Ez gyorsabb, mint a helyi hálózati rendszerekre, például a Bluetooth Low Energy-re jellemző 10 kbps. Úgy véli, hogy ennek a nagyobb sávszélességnek az új rendszert vonzóvá kell tennie a rövid hatótávolságú vezeték nélküli kommunikáció számára, mint például az érzékelők csatlakoztatása az „okos” épületeken belül, és a biztonságos információcsere a jövőbeni elektromos járművek áramellátása során.

Müonok: a nukleáris hulladék mélységének szondázása

Mint Tanaka, Michael Maniatakos A New York-i Egyetem, Abu Dhabi (Egyesült Arab Emírségek) munkatársa egy véletlenszám-generátor kifejlesztésén dolgozott kozmikus müonokból titkosításhoz. Ám ő és kollégái azt találták, hogy a müonok nem érkeznek meg elég nagy számban a Föld felszínére ahhoz, hogy egy megfelelően kis méretű detektorból adott idő alatt elegendő „entrópiát” hozzanak létre. "Kutatásunk arra a következtetésre jutott, hogy a müonok nem gyakorlati megközelítést jelentenek a véletlenszerűség eredetére egy valós rendszerben" - mondja.

Tanaka elismeri, hogy a müonészlelési sebesség korlátokat szab a technológiának, de ragaszkodik ahhoz, hogy a sebesség megfelelő vezeték nélküli kommunikációhoz körülbelül 10 méteres távolságig. Bemutatójában meglehetősen nagy detektorokat használt – mindegyik 1 méteres² – a bitsebesség maximalizálása érdekében. Tanaka azonban úgy gondolja, hogy az érzékelőket jelenlegi méretük ötödére csökkentheti, ha ötszörösére növeli a kulcsgenerálási arányt. Arról, hogy mennyi ideig tart a technológia tökéletesítése, azt mondja, hogy öt éven belül működő prototípussal kell rendelkeznie.

Megjegyzi, hogy a rendszer egyik lehetséges gyengesége az a lehetőség, hogy egy lehallgató egy harmadik detektort helyezhet el a küldő és a vevő eszközei közé, és függetlenül rögzítheti a müoncsapásokat. Úgy véli, hogy minden ilyen terv „teljesen kivitelezhetetlen”, de azt mondja, hogy a rendszer beépített biztosítékkal rendelkezik – kis időbeli eltolás a GPS-műholdak által sugárzott szabványos időhöz képest. Ez az eltolás, amelyet a kommunikáló felek tetszés szerint bármikor megváltoztathatnak, arra készteti a lehallgatót, hogy nem ért egyet a müonok érkezési idejével kapcsolatban – ennek eredményeként azt mondja, hogy „nem tudják ellopni az üzenet dekódolásához szükséges kulcsot”.

A kutatás leírása a iScience.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• Platoblockchain. Web3 metaverzum intelligencia. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/