Kosmiske strålemuoner som brukes til å lage kryptografisystem

De tilfeldige ankomsttidene til kosmiske strålemuoner på jordoverflaten kan brukes til å kode og dekode konfidensielle meldinger – iht. Hiroyuki Tanaka ved universitetet i Tokyo. Han hevder at den nye ordningen er sikrere enn andre kryptografiske systemer fordi den ikke krever at avsender og mottaker av en melding utveksler en hemmelig nøkkel. Etter å ha bekreftet viktige aspekter ved teknologien i laboratoriet, regner han med at den vil være kommersielt konkurransedyktig for bruk over korte avstander i kontorer, datasentre og private hjem.

Kryptografiske protokoller innebærer å generere og distribuere en hemmelig nøkkel som brukes til å kryptere og dekryptere meldinger. I dag kan ofte brukte kryptografisystemer knekkes av de som har evnen til å finne hovedfaktorene til svært store tall. Dette er fryktelig vanskelig å gjøre med konvensjonelle datamaskiner, men det burde være en mye enklere oppgave å bruke fremtidens kvantedatamaskiner.

Blant alternativene for å håndtere denne trusselen er selve quantum – bruken av Heisenbergs usikkerhetsprinsipp for å sikre at enhver mulig avlytter ikke kan stjele nøkkelen uten å avsløre sin tilstedeværelse i prosessen.

Kvantefeil

Imidlertid har selv denne "kvantenøkkeldistribusjonen" sine feil. Forskere har vist at det er mulig å utnytte svakheter i krypteringsmaskinvaren, som å skinne sterkt lys på enkeltfotondetektorer for å gjøre dem om til klassiske enheter. Dette spesielle problemet kan unngås ved å bruke en tredjepart (som ikke trenger å være pålitelig) for å utføre deteksjonen av nøkkelbiter, men denne ordningen er dyrere enn enkel topartskryptering.

Tanakas nye forslag er designet for å beseire avlyttere ved i stedet å vende seg til en naturlig og alltid tilstedeværende ressurs av tilfeldighet: kosmisk-stråle-muoner. Kosmiske stråler, som hovedsakelig er protoner, regner ned på jorden fra det store rommet og genererer byger av pioner og andre partikler når de kolliderer med kjerner i atmosfæren. Disse pionene forfaller deretter til myoner, som er tunge versjoner av elektronet. Disse myonene treffer jordoverflaten helt uavhengig av hverandre og er i stand til å passere gjennom store mengder fast materiale mens de bare mister en liten brøkdel av energien ved å ionisere materialene.

Ideen er å plassere meldingssenderen og -mottakeren nær nok til hverandre til at de begge utsettes for de samme kosmiske stråledysene og kan gjøre sine egne separate deteksjoner av spesifikke myoner i en dusj - nemlig de partiklene hvis bane krysser detektorene av begge individene. Ved hver å registrere ankomsttiden til disse myonene og bruke tidsstemplene som tilfeldige data for kryptografiske nøkler, kan avsender og mottaker uavhengig generere de samme hemmelige nøklene – uten å måtte sende nøklene til hverandre.

Synkroniserte klokker

Å sikre at sender og mottaker bruker de samme myonene for å lage nøklene er avhengig av å beregne den nøyaktige tidsforsinkelsen mellom de to deteksjonene, noe som gjøres ved å kjenne avstanden mellom detektorene (myoner reiser vanligvis med 99.95 % av lyshastigheten) mens de synkroniseres nøye. klokker i hver ende. Synkronisering kan oppnås ved å bruke et globalt posisjoneringssystem for å koordinere tikken til lokale klokker som krystalloscillatorer.

Tanaka kaller teknikken hans "Cosmic Coding & Transfer" (COSMOCAT) og den bruker to detektorer som måler myonankomst med en plastscintillator og et fotomultiplikatorrør. Ved å utføre tester på fire forskjellige dager i juni i fjor, viste han at myoner faktisk kommer til tilfeldige tidspunkter – sannsynligheten for å observere et gitt antall hendelser i en viss periode etter en poissonsk fordeling. Han viste også at de to detektorene konsekvent produserte de samme, tilfeldige tidsstemplene.

Men på grunn av begrensninger i GPS-signalene og elektronikken som ble brukt til å utføre eksperimentet, var han bare i stand til å etablere vanlige myondeteksjoner (i motsetning til avskjæring av andre tilfeldige partikler) i omtrent 20 % av tilfellene. Å overvinne dette problemet innebar at mottakeren brukte flere nøkler for å prøve å dekode en gitt melding og deretter gå videre til neste melding bare når mottakeren hadde signalisert suksess.

Smarte bygg

Disse ekstra trinnene legger til tid til dekrypteringsprosessen og reduserer dermed hastigheten som data kan overføres med. Likevel sier Tanaka at systemet fortsatt vil være betydelig raskere enn mye eksisterende teknologi. Faktisk fant avtalte deteksjoner sted ved et gjennomsnitt på rundt 20 Hz, noe som innebærer en dataoverføringshastighet på minst 10 Mbps. Dette er raskere enn de 10 kbps som er typisk for et lokalt nettverkssystem som Bluetooth Low Energy. Han regner med at denne større båndbredden bør gjøre den nye ordningen attraktiv for trådløs kommunikasjon med kort rekkevidde som å koble til sensorer i «smarte» bygninger og sikker utveksling av informasjon under drift av fremtidige elektriske kjøretøy.

Muoner: sondering av dypet av atomavfall

Som Tanaka, Michail Maniatakos fra New York University Abu Dhabi i De forente arabiske emirater har jobbet med å utvikle en tilfeldig tallgenerator fra kosmiske myoner for kryptografi. Men han og kollegene hans fant ut at myoner ikke ankommer jordoverflaten i tilstrekkelig antall til å generere nok "entropi" i løpet av en gitt tidsperiode fra en passende liten detektor. "Vår forskning konkluderte med at myoner ikke er en praktisk tilnærming for å hente tilfeldighet i et virkelig system," sier han.

Tanaka erkjenner at myondeteksjonshastigheter setter grenser for teknologien, men insisterer på at hastighetene er tilstrekkelige for trådløs kommunikasjon over avstander på opptil 10 meter. I sin demonstrasjon brukte han ganske store detektorer – hver på 1 m² – for å maksimere bithastigheten. Tanaka regner imidlertid med at han kan krympe detektorene til en femtedel av deres nåværende størrelse ved å øke nøkkelgenerasjonsraten med en faktor på fem. Når det gjelder hvor lang tid det vil ta å perfeksjonere teknologien, sier han at han bør ha en fungerende prototype innen fem år.

En potensiell svakhet i ordningen, bemerker han, er muligheten for at en avlytter kan plassere en tredje detektor mellom avsenderens og mottakerens enheter og registrere myonanslagene uavhengig. Han regner med at en slik plan vil være "helt upraktisk", men sier at systemet kommer med en innebygd beskyttelse - en liten tidsforskyvning sammenlignet med standardtid som sendes av GPS-satellitter. Denne forskyvningen, som de kommuniserende partene kan endre når som helst etter eget valg, får avlytteren til å være uenig om muonens ankomsttider – med resultatet, sier han, at de "ikke kan stjele nøkkelen for å dekode meldingen".

Forskningen er beskrevet i iScience.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/