암호화 시스템을 만드는 데 사용되는 우주선 뮤온

우주선 뮤온이 지구 표면에 무작위로 도달하는 시간은 기밀 메시지를 암호화하고 해독하는 데 사용할 수 있습니다. 다나카 히로유키 도쿄대학에서. 그는 새로운 방식이 메시지의 발신자와 수신자가 비밀 키를 교환할 필요가 없기 때문에 다른 암호화 시스템보다 더 안전하다고 주장합니다. 실험실에서 기술의 중요한 측면을 확인한 후 그는 사무실, 데이터 센터 및 개인 가정에서 단거리에서 사용하기에 상업적으로 경쟁력이 있을 것이라고 생각합니다.

암호화 프로토콜에는 메시지를 암호화하고 해독하는 데 사용되는 비밀 키 생성 및 배포가 포함됩니다. 오늘날 일반적으로 사용되는 암호화 시스템은 매우 큰 수의 소인수를 찾을 수 있는 능력을 가진 사람들에 의해 해독될 수 있습니다. 이것은 기존의 컴퓨터를 사용하여 수행하기 매우 어렵지만 미래의 양자 컴퓨터를 사용하면 훨씬 더 쉬운 작업이 될 것입니다.

이 위협을 처리하기 위한 옵션 중에는 그 자체가 양자입니다. Heisenberg의 불확정성 원리를 사용하여 도청하려는 사람이 과정에서 자신의 존재를 드러내지 않고는 키를 훔칠 수 없도록 합니다.

양자 결함

그러나 이 "양자 키 배포"에도 결함이 있습니다. 과학자들은 단일 광자 검출기에 밝은 빛을 비추어 고전적인 장치로 바꾸는 것과 같이 암호화 하드웨어의 약점을 악용할 수 있음을 보여주었습니다. 이 특정 문제는 키 비트 감지를 수행하기 위해 제XNUMX자(신뢰할 필요가 없는)를 사용하여 피할 수 있지만 이 배열은 직접적인 쌍방 암호화보다 비용이 많이 듭니다.

다나카의 새로운 제안은 대신 자연스럽고 항상 존재하는 임의의 자원인 우주선 뮤온으로 전환하여 도청자를 물리치기 위해 고안되었습니다. 주로 양성자인 우주선은 우주 깊은 곳에서 지구로 내려와 대기 중 핵과 충돌할 때 파이온과 다른 입자의 소나기를 생성합니다. 그런 다음 그 파이온은 전자의 무거운 버전인 뮤온으로 붕괴됩니다. 이 뮤온은 서로 완전히 독립적으로 지구 표면에 충돌하며 많은 양의 고체 물질을 통과할 수 있지만 물질을 이온화하여 에너지의 작은 부분만 잃습니다.

아이디어는 메시지 발신자와 수신자를 서로 충분히 가깝게 배치하여 둘 다 동일한 우주선 샤워에 노출되고 샤워 내에서 특정 뮤온, 즉 궤적이 탐지기를 가로지르는 입자를 개별적으로 감지할 수 있도록 하는 것입니다. 두 개인의. 각각의 뮤온 도착 시간을 기록하고 타임 스탬프를 암호 키의 임의 데이터로 사용함으로써 발신자와 수신자는 키를 서로에게 보낼 필요 없이 독립적으로 동일한 비밀 키를 생성할 수 있습니다.

동기화된 시계

발신자와 수신자가 동일한 뮤온을 사용하여 키를 생성하도록 하는 것은 두 감지 사이의 정확한 시간 지연을 해결하는 데 달려 있습니다. 이는 감지기 사이의 거리(뮤온은 일반적으로 광속의 99.95%로 이동함)를 알고 주의 깊게 동기화하면서 수행됩니다. 각 끝의 시계. 수정 발진기와 같은 로컬 클록의 똑딱거리는 소리를 조정하기 위해 글로벌 포지셔닝 시스템을 사용하여 동기화를 달성할 수 있습니다.

Tanaka는 그의 기술을 "Cosmic Coding & Transfer"(COSMOCAT)라고 부르며 플라스틱 신틸레이터와 광전자 증배관 튜브로 뮤온 도착을 측정하는 두 개의 검출기를 사용합니다. 작년 XNUMX월에 XNUMX일에 걸친 테스트를 통해 그는 뮤온이 실제로 임의의 시점에 도착한다는 것을 보여주었습니다. 즉, 포아송 분포를 따르는 특정 기간에 주어진 수의 이벤트를 관찰할 확률입니다. 그는 또한 두 탐지기가 일관되게 동일한 임의의 타임 스탬프를 생성한다는 것을 보여주었습니다.

그러나 GPS 신호와 실험을 수행하는 데 사용되는 전자 장치의 한계로 인해 그는 약 20%의 사례에서 일반적인 뮤온 탐지(다른 무작위 입자 차단과 반대)만 설정할 수 있었습니다. 이 문제를 극복하려면 수신자가 여러 키를 사용하여 주어진 메시지를 해독하려고 시도한 다음 수신자가 성공 신호를 보낸 후에야 다음 메시지로 이동해야 했습니다.

스마트 빌딩

이러한 추가 단계는 암호 해독 프로세스에 시간을 추가하므로 데이터 전송 속도가 느려집니다. 그럼에도 불구하고 Tanaka는 시스템이 기존 기술보다 훨씬 더 빠를 것이라고 말합니다. 실제로 합의된 감지는 평균 약 20Hz에서 발생했으며 이는 데이터 전송 속도가 최소 10Mbps임을 의미합니다. 이것은 Bluetooth Low Energy와 같은 로컬 네트워크 시스템의 일반적인 10kbps보다 빠릅니다. 그는 이 더 큰 대역폭이 "스마트" 빌딩 내 센서 연결 및 미래 전기 자동차의 전력 공급 중에 정보를 안전하게 교환하는 것과 같은 단거리 무선 통신에 새로운 방식을 매력적으로 만들 것이라고 생각합니다.

뮤온스: 핵폐기물의 깊이를 조사하다

다나카처럼 미하일 마니아타코스 아랍 에미레이트의 뉴욕 대학교 아부다비 대학은 암호화를 위해 우주 뮤온에서 난수 생성기를 개발했습니다. 그러나 그와 그의 동료들은 뮤온이 충분히 작은 감지기에서 주어진 시간 내에 충분한 "엔트로피"를 생성하기에 충분한 수의 지구 표면에 도착하지 않는다는 것을 발견했습니다. "우리 연구는 뮤온이 실제 시스템에서 임의성을 소싱하기 위한 실용적인 접근 방식이 아니라는 결론을 내렸습니다."라고 그는 말합니다.

다나카는 뮤온 검출률이 기술에 한계가 있음을 인정하지만 최대 약 10m 거리의 ​​무선 통신에는 속도가 적절하다고 주장합니다. 그의 시연에서 그는 각각 1m를 측정하는 상당히 큰 감지기를 사용했습니다.² – 비트 전송률을 최대화하기 위해. 그러나 Tanaka는 키 생성 속도를 XNUMX배로 높임으로써 탐지기를 현재 크기의 XNUMX/XNUMX로 줄일 수 있다고 생각합니다. 기술을 완성하는 데 시간이 얼마나 걸릴지에 대해 그는 XNUMX년 이내에 작동하는 프로토타입을 만들어야 한다고 말합니다.

이 계획의 한 가지 잠재적인 약점은 도청자가 발신자와 수신자의 장치 사이에 세 번째 탐지기를 배치하고 뮤온 타격을 독립적으로 기록할 수 있다는 가능성입니다. 그는 그러한 계획이 "완전히 비실용적"이라고 생각하지만 시스템에는 GPS 위성에 의한 표준 시간 방송과 비교할 때 약간의 시간적 오프셋인 안전 장치가 내장되어 있다고 말합니다. 통신 당사자가 언제든지 변경할 수 있는 이 오프셋은 도청자가 뮤온 도착 시간에 대해 동의하지 않게 만듭니다. 결과적으로 "메시지를 해독하기 위해 키를 훔칠 수 없습니다"라고 그는 말합니다.

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 아이사이언스.

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