Kosmische stralingsmuonen gebruikt om een ​​cryptografisch systeem te creëren

De willekeurige aankomsttijden van kosmische stralingsmuonen op het aardoppervlak kunnen worden gebruikt voor het coderen en decoderen van vertrouwelijke berichten – volgens Hiroyuki Tanaka aan de Universiteit van Tokio. Hij beweert dat het nieuwe systeem veiliger is dan andere cryptografische systemen, omdat het niet vereist dat de zender en ontvanger van een bericht een geheime sleutel uitwisselen. Nu hij belangrijke aspecten van de technologie in het laboratorium heeft bevestigd, denkt hij dat deze commercieel concurrerend zal zijn voor gebruik over korte afstanden in kantoren, datacenters en particuliere woningen.

Cryptografische protocollen omvatten het genereren en distribueren van een geheime sleutel die wordt gebruikt om berichten te coderen en te decoderen. Tegenwoordig kunnen veelgebruikte cryptografiesystemen worden gekraakt door mensen die de belangrijkste factoren van zeer grote getallen kunnen vinden. Dit is ontzettend moeilijk om te doen met conventionele computers, maar het zou een veel eenvoudiger taak moeten zijn met behulp van kwantumcomputers van de toekomst.

Een van de opties om met deze dreiging om te gaan is op zichzelf kwantum: het gebruik van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg om ervoor te zorgen dat potentiële afluisteraars de sleutel niet kunnen stelen zonder hun aanwezigheid in het proces te onthullen.

Kwantumfouten

Maar zelfs deze ‘kwantumsleutelverdeling’ kent zijn tekortkomingen. Wetenschappers hebben aangetoond dat het mogelijk is om zwakheden in de encryptiehardware te misbruiken, zoals het schijnen van helder licht op detectoren met één foton om er klassieke apparaten van te maken. Dit specifieke probleem kan worden vermeden door een derde partij (die niet betrouwbaar hoeft te zijn) te gebruiken om de sleutelbits te detecteren, maar deze regeling is duurder dan eenvoudige tweepartijenversleuteling.

Tanaka's nieuwe voorstel is bedoeld om afluisteraars te verslaan door zich in plaats daarvan te wenden tot een natuurlijke en altijd aanwezige bron van willekeur: kosmische stralingsmuonen. Kosmische straling, die voornamelijk uit protonen bestaat, regent vanuit de diepe ruimte op de aarde en genereert regenbuien van pionen en andere deeltjes wanneer ze botsen met kernen in de atmosfeer. Die pionen vervallen vervolgens tot muonen, wat zware versies van het elektron zijn. Deze muonen raken het aardoppervlak volledig onafhankelijk van elkaar en kunnen grote hoeveelheden vast materiaal passeren, terwijl ze slechts een klein deel van hun energie verliezen door de materialen te ioniseren.

Het idee is om de zender en ontvanger van het bericht zo dicht bij elkaar te positioneren dat ze allebei worden blootgesteld aan dezelfde kosmische stralingsbuien en hun eigen afzonderlijke detecties kunnen maken van specifieke muonen binnen een zwerm – namelijk die deeltjes waarvan het traject de detectoren kruist. van beide individuen. Door elk de aankomsttijd van die muonen te registreren en de tijdstempels te gebruiken als willekeurige gegevens voor cryptografische sleutels, kunnen de zender en de ontvanger onafhankelijk van elkaar dezelfde geheime sleutels genereren – zonder de sleutels naar elkaar te hoeven sturen.

Gesynchroniseerde klokken

Ervoor zorgen dat zender en ontvanger dezelfde muonen gebruiken om de sleutels te maken, is afhankelijk van het berekenen van de precieze tijdsvertraging tussen de twee detecties, wat wordt gedaan door de afstand tussen de detectoren te kennen (muonen reizen doorgaans met 99.95% van de lichtsnelheid) terwijl ze zorgvuldig worden gesynchroniseerd. klokken aan elk uiteinde. Synchronisatie kan worden bereikt met behulp van een globaal positioneringssysteem om het tikken van lokale klokken zoals kristaloscillatoren te coördineren.

Tanaka noemt zijn techniek ‘Cosmic Coding & Transfer’ (COSMOCAT) en maakt gebruik van twee detectoren die de aankomst van muonen meten met een plastic scintillator en een fotomultiplicatorbuis. Door op vier verschillende dagen in juni vorig jaar tests uit te voeren, toonde hij aan dat muonen inderdaad op willekeurige tijdstippen aankomen: de waarschijnlijkheid dat een bepaald aantal gebeurtenissen in een bepaalde periode wordt waargenomen volgens een Poissoniaanse verdeling. Hij toonde ook aan dat de twee detectoren consistent dezelfde, willekeurige tijdstempels produceerden.

Vanwege beperkingen in de GPS-signalen en de elektronica die werd gebruikt om het experiment uit te voeren, kon hij echter slechts in ongeveer 20% van de gevallen algemene muondetecties vaststellen (in tegenstelling tot het onderscheppen van andere willekeurige deeltjes). Om dit probleem te overwinnen, moest de ontvanger meerdere sleutels gebruiken om te proberen een bepaald bericht te decoderen en pas door te gaan naar het volgende bericht nadat de ontvanger succes had aangegeven.

Slimme gebouwen

Deze extra stappen voegen tijd toe aan het decoderingsproces en vertragen zo de snelheid waarmee gegevens kunnen worden verzonden. Niettemin zegt Tanaka dat het systeem nog steeds aanzienlijk sneller zou zijn dan veel bestaande technologie. De overeengekomen detecties vonden inderdaad plaats bij een gemiddelde snelheid van ongeveer 20 Hz, wat een datatransmissiesnelheid van minimaal 10 Mbps impliceert. Dit is sneller dan de 10 kbps die typisch is voor een lokaal netwerksysteem zoals Bluetooth Low Energy. Hij is van mening dat deze grotere bandbreedte het nieuwe plan aantrekkelijk moet maken voor draadloze communicatie over korte afstanden, zoals het verbinden van sensoren in ‘slimme’ gebouwen en het veilig uitwisselen van informatie tijdens het aandrijven van toekomstige elektrische voertuigen.

Muonen: de diepten van nucleair afval onderzoeken

Zoals Tanaka, Michael Maniatakos van de New York University Abu Dhabi in de Verenigde Arabische Emiraten heeft gewerkt aan de ontwikkeling van een generator voor willekeurige getallen op basis van kosmische muonen voor cryptografie. Maar hij en zijn collega's ontdekten dat muonen niet in voldoende aantallen op het aardoppervlak aankomen om in een bepaalde tijd voldoende 'entropie' te genereren uit een voldoende kleine detector. “Ons onderzoek concludeerde dat muonen geen praktische benadering zijn om willekeur in een echt systeem te verkrijgen”, zegt hij.

Tanaka erkent dat de detectiesnelheden van muonen beperkingen opleggen aan de technologie, maar benadrukt dat de detectiesnelheden voldoende zijn voor draadloze communicatie over afstanden tot ongeveer 10 meter. In zijn demonstratie gebruikte hij behoorlijk grote detectoren van elk 1 meter² – om de bitsnelheid te maximaliseren. Tanaka denkt echter dat hij de detectoren tot een vijfde van hun huidige omvang zou kunnen verkleinen door de sleutelgeneratiesnelheid met een factor vijf te verhogen. Over hoe lang het zal duren om de technologie te perfectioneren, zegt hij dat hij binnen vijf jaar een werkend prototype moet hebben.

Een potentiële zwakte in het plan, zo merkt hij op, is de mogelijkheid dat een afluisteraar een derde detector tussen de apparaten van de zender en de ontvanger zou kunnen plaatsen en de muonaanvallen onafhankelijk zou kunnen registreren. Hij denkt dat een dergelijk plan “totaal onpraktisch” zou zijn, maar zegt dat het systeem wordt geleverd met een ingebouwde beveiliging – een kleine tijdsverschuiving vergeleken met de standaardtijd die door GPS-satellieten wordt uitgezonden. Deze compensatie, die de communicerende partijen op elk gewenst moment kunnen wijzigen, zorgt ervoor dat de potentiële afluisteraar het niet eens is over de aankomsttijden van de muonen – met als resultaat, zegt hij, dat ze “de sleutel om de boodschap te decoderen niet kunnen stelen”.

Het onderzoek is beschreven in iWetenschap.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/