Muoni di raggi cosmici utilizzati per creare un sistema di crittografia

I tempi di arrivo casuali dei muoni dei raggi cosmici sulla superficie terrestre possono essere utilizzati per codificare e decodificare messaggi riservati, secondo Hiroyuki tanaka all'Università di Tokio. Afferma che il nuovo schema è più sicuro di altri sistemi crittografici perché non richiede che il mittente e il destinatario di un messaggio si scambino una chiave segreta. Avendo confermato aspetti importanti della tecnologia in laboratorio, ritiene che sarà commercialmente competitivo per l'uso su brevi distanze in uffici, data center e abitazioni private.

I protocolli crittografici comportano la generazione e la distribuzione di una chiave segreta utilizzata per crittografare e decrittografare i messaggi. Oggi, i sistemi di crittografia comunemente usati potrebbero essere violati da coloro che hanno la capacità di trovare i fattori primi di numeri molto grandi. Questo è diabolicamente difficile da fare usando i computer convenzionali, ma dovrebbe essere un compito molto più semplice usando i computer quantistici del futuro.

Tra le opzioni per affrontare questa minaccia c'è la stessa quantistica: l'uso del principio di indeterminazione di Heisenberg per garantire che qualsiasi aspirante intercettatore non possa rubare la chiave senza rivelare la propria presenza nel processo.

Difetti quantici

Tuttavia, anche questa "distribuzione di chiavi quantistiche" ha i suoi difetti. Gli scienziati hanno dimostrato che è possibile sfruttare i punti deboli nell'hardware di crittografia, come far brillare una luce intensa sui rilevatori di un singolo fotone per trasformarli in dispositivi classici. Questo particolare problema può essere evitato utilizzando una terza parte (che non deve essere affidabile) per eseguire il rilevamento dei bit della chiave, ma questa disposizione è più costosa della semplice crittografia a due parti.

La nuova proposta di Tanaka è progettata per sconfiggere gli intercettatori rivolgendosi invece a una risorsa naturale e sempre presente di casualità: i muoni dei raggi cosmici. I raggi cosmici, che sono principalmente protoni, piovono sulla Terra dallo spazio profondo e generano piogge di pioni e altre particelle quando entrano in collisione con i nuclei nell'atmosfera. Quei pioni poi decadono in muoni, che sono versioni pesanti dell'elettrone. Questi muoni colpiscono la superficie terrestre in modo completamente indipendente l'uno dall'altro e sono in grado di attraversare grandi quantità di materiale solido perdendo solo una piccola frazione della loro energia ionizzando i materiali.

L'idea è di posizionare il mittente e il destinatario del messaggio abbastanza vicini l'uno all'altro da essere entrambi esposti agli stessi sciami di raggi cosmici e poter effettuare le proprie rilevazioni separate di muoni specifici all'interno di uno sciame, vale a dire quelle particelle la cui traiettoria attraversa i rivelatori di entrambi gli individui. Registrando ciascuno l'ora di arrivo di quei muoni e utilizzando i timestamp come dati casuali per le chiavi crittografiche, il mittente e il destinatario possono generare indipendentemente le stesse chiavi segrete, senza doversi inviare le chiavi l'un l'altro.

Orologi sincronizzati

Garantire che il mittente e il destinatario utilizzino gli stessi muoni per creare le chiavi si basa sull'elaborazione del preciso ritardo temporale tra i due rilevamenti, che viene fatto conoscendo la distanza tra i rivelatori (i muoni viaggiano tipicamente al 99.95% della velocità della luce) mentre si sincronizzano attentamente orologi a ciascuna estremità. La sincronizzazione può essere ottenuta utilizzando un sistema di posizionamento globale per coordinare il ticchettio degli orologi locali come gli oscillatori al cristallo.

Tanaka chiama la sua tecnica "Cosmic Coding & Transfer" (COSMOCAT) e utilizza due rivelatori che misurano l'arrivo dei muoni con uno scintillatore plastico e un tubo fotomoltiplicatore. Effettuando test in quattro diversi giorni nel giugno dello scorso anno, ha mostrato che i muoni arrivano effettivamente in momenti casuali nel tempo: la probabilità di osservare un dato numero di eventi in un certo periodo seguendo una distribuzione poissoniana. Ha anche mostrato che i due rilevatori producevano costantemente gli stessi timestamp casuali.

Tuttavia, a causa delle limitazioni nei segnali GPS e nell'elettronica utilizzata per eseguire l'esperimento, è stato in grado di stabilire rilevamenti di muoni comuni (al contrario dell'intercettazione di altre particelle casuali) solo in circa il 20% dei casi. Il superamento di questo problema ha comportato che il destinatario utilizzasse più chiavi per provare a decodificare un determinato messaggio e quindi passare al messaggio successivo solo dopo che il destinatario aveva segnalato il successo.

Edifici intelligenti

Questi passaggi aggiuntivi aggiungono tempo al processo di decrittazione e quindi rallentano la velocità con cui i dati possono essere trasmessi. Tuttavia, Tanaka afferma che il sistema sarebbe comunque notevolmente più veloce di gran parte della tecnologia esistente. Infatti, i rilevamenti concordati sono avvenuti a una media di circa 20 Hz, il che implica una velocità di trasmissione dati di almeno 10 Mbps. Questo è più veloce dei 10 kbps tipici di un sistema di rete locale come Bluetooth Low Energy. Ritiene che questa maggiore larghezza di banda dovrebbe rendere il nuovo schema attraente per la comunicazione wireless a corto raggio, come il collegamento di sensori all'interno di edifici "intelligenti" e lo scambio sicuro di informazioni durante l'alimentazione dei futuri veicoli elettrici.

Muoni: sondare le profondità delle scorie nucleari

Come Tanaka, Michail Maniatakos della New York University Abu Dhabi negli Emirati Arabi Uniti ha lavorato allo sviluppo di un generatore di numeri casuali da muoni cosmici per la crittografia. Ma lui ei suoi colleghi hanno scoperto che i muoni non arrivano sulla superficie terrestre in numero sufficiente per generare abbastanza "entropia" in un dato periodo di tempo da un rivelatore adeguatamente piccolo. "La nostra ricerca ha concluso che i muoni non sono un approccio pratico per ottenere casualità in un sistema reale", afferma.

Tanaka riconosce che i tassi di rilevamento dei muoni pongono limiti alla tecnologia, ma insiste sul fatto che i tassi sono adeguati per la comunicazione wireless su distanze fino a circa 10 m. Nella sua dimostrazione ha utilizzato rilevatori piuttosto grandi, ognuno dei quali misura 1 m² – per massimizzare il bit rate. Tuttavia, Tanaka ritiene di poter ridurre i rilevatori a un quinto della loro dimensione attuale aumentando il tasso di generazione delle chiavi di un fattore cinque. Per quanto riguarda quanto tempo ci vorrà per perfezionare la tecnologia, dice che dovrebbe avere un prototipo funzionante entro cinque anni.

Un potenziale punto debole nello schema, osserva, è la possibilità che un intercettatore possa posizionare un terzo rilevatore tra i dispositivi del mittente e del ricevitore e registrare i colpi di muone in modo indipendente. Ritiene che qualsiasi piano del genere sarebbe "totalmente impraticabile", ma afferma che il sistema è dotato di una protezione integrata: un piccolo offset temporale rispetto all'ora standard trasmessa dai satelliti GPS. Questo offset, che le parti comunicanti possono modificare in qualsiasi momento a loro scelta, fa sì che l'aspirante intercettatore non sia d'accordo sui tempi di arrivo del muone - con il risultato, dice, che "non possono rubare la chiave per decodificare il messaggio".

La ricerca è descritta in iScienza.

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/