Múons de raios cósmicos usados ​​para criar sistema de criptografia

Os tempos aleatórios de chegada dos múons de raios cósmicos à superfície da Terra podem ser usados ​​para codificar e decodificar mensagens confidenciais – de acordo com Hiroyuki tanaka na Universidade de Tóquio. Ele afirma que o novo esquema é mais seguro do que outros sistemas criptográficos porque não exige que o remetente e o destinatário de uma mensagem troquem uma chave secreta. Tendo confirmado aspectos importantes da tecnologia no laboratório, ele avalia que ela será comercialmente competitiva para uso em curtas distâncias em escritórios, data centers e residências particulares.

Os protocolos criptográficos envolvem a geração e distribuição de uma chave secreta que é usada para criptografar e descriptografar mensagens. Hoje, os sistemas de criptografia comumente usados ​​podem ser quebrados por aqueles que têm a capacidade de encontrar os fatores primos de números muito grandes. Isso é terrivelmente difícil de fazer usando computadores convencionais, mas deveria ser uma tarefa muito mais fácil usando os computadores quânticos do futuro.

Entre as opções para lidar com esta ameaça está a própria quântica – a utilização do princípio da incerteza de Heisenberg para garantir que qualquer possível bisbilhoteiro não possa roubar a chave sem revelar a sua presença no processo.

Falhas quânticas

No entanto, mesmo esta “distribuição quântica de chaves” tem as suas falhas. Os cientistas demonstraram que é possível explorar fraquezas no hardware de criptografia, como iluminar detectores de fóton único para transformá-los em dispositivos clássicos. Este problema específico pode ser evitado usando terceiros (que não precisam ser confiáveis) para realizar a detecção de bits de chave, mas esse arranjo é mais caro do que a criptografia simples de duas partes.

A nova proposta de Tanaka foi projetada para derrotar os bisbilhoteiros, recorrendo, em vez disso, a um recurso natural e sempre presente de aleatoriedade: os múons de raios cósmicos. Os raios cósmicos, que são principalmente prótons, chovem sobre a Terra vindos do espaço profundo e geram chuvas de píons e outras partículas quando colidem com núcleos na atmosfera. Esses píons então decaem em múons, que são versões pesadas do elétron. Esses múons atingem a superfície da Terra de forma completamente independente um do outro e são capazes de passar através de grandes quantidades de material sólido, perdendo apenas uma pequena fração de sua energia ao ionizar os materiais.

A ideia é posicionar o remetente e o receptor da mensagem próximos o suficiente um do outro para que ambos fiquem expostos às mesmas chuvas de raios cósmicos e possam fazer suas próprias detecções separadas de múons específicos dentro de uma chuva – ou seja, aquelas partículas cuja trajetória cruza os detectores. de ambos os indivíduos. Ao registrar a hora de chegada desses múons e usar os carimbos de data e hora como dados aleatórios para chaves criptográficas, o remetente e o destinatário podem gerar independentemente as mesmas chaves secretas – sem ter que enviar as chaves um ao outro.

Relógios sincronizados

Garantir que o remetente e o receptor usem os mesmos múons para criar as chaves depende de calcular o atraso preciso entre as duas detecções, o que é feito conhecendo a distância entre os detectores (os múons normalmente viajam a 99.95% da velocidade da luz) enquanto sincronizam cuidadosamente relógios em cada extremidade. A sincronização pode ser alcançada usando um sistema de posicionamento global para coordenar o tique-taque de relógios locais, como osciladores de cristal.

Tanaka chama sua técnica de “Codificação e Transferência Cósmica” (COSMOCAT) e usa dois detectores que medem a chegada de múons com um cintilador de plástico e um tubo fotomultiplicador. Realizando testes em quatro dias diferentes em junho do ano passado, ele mostrou que os múons chegam de fato a pontos aleatórios no tempo – a probabilidade de observar um determinado número de eventos em um determinado período seguindo uma distribuição Poissoniana. Ele também mostrou que os dois detectores produziam consistentemente os mesmos carimbos de data e hora aleatórios.

No entanto, devido às limitações dos sinais GPS e da electrónica utilizada para realizar a experiência, ele só foi capaz de estabelecer detecções de múons comuns (em oposição à interceptação de outras partículas aleatórias) em cerca de 20% dos casos. A superação desse problema envolveu o uso de várias chaves pelo receptor para tentar decodificar uma determinada mensagem e, em seguida, passar para a próxima mensagem apenas quando o receptor sinalizasse sucesso.

Edifícios inteligentes

Essas etapas extras acrescentam tempo ao processo de descriptografia e, portanto, diminuem a taxa de transmissão dos dados. No entanto, Tanaka diz que o sistema ainda seria consideravelmente mais rápido do que grande parte da tecnologia existente. Com efeito, as detecções acordadas ocorreram a uma média de cerca de 20 Hz, o que implica uma taxa de transmissão de dados de pelo menos 10 Mbps. Isso é mais rápido do que os 10 kbps típicos de um sistema de rede local como o Bluetooth Low Energy. Ele considera que esta maior largura de banda deverá tornar o novo esquema atraente para comunicações sem fios de curto alcance, tais como a ligação de sensores em edifícios “inteligentes” e a troca segura de informações durante a alimentação de futuros veículos eléctricos.

Múons: sondando as profundezas do lixo nuclear

Assim como Tanaka, Michael Maniatakos da Universidade de Nova York, Abu Dhabi, nos Emirados Árabes Unidos, trabalhou no desenvolvimento de um gerador de números aleatórios a partir de múons cósmicos para criptografia. Mas ele e os seus colegas descobriram que os muões não chegam à superfície da Terra em número suficiente para gerar “entropia” suficiente num determinado período de tempo a partir de um detector adequadamente pequeno. “Nossa pesquisa concluiu que os múons não são uma abordagem prática para obter aleatoriedade em um sistema real”, diz ele.

Tanaka reconhece que as taxas de detecção de múons impõem limites à tecnologia, mas insiste que as taxas são adequadas para comunicação sem fio em distâncias de até cerca de 10 m. Em sua demonstração ele usou detectores bastante grandes – cada um medindo 1 m² – para maximizar a taxa de bits. No entanto, Tanaka avalia que poderia reduzir os detectores para um quinto do seu tamanho atual, aumentando a taxa de geração de chaves por um fator de cinco. Quanto ao tempo que levará para aperfeiçoar a tecnologia, ele diz que deverá ter um protótipo funcional dentro de cinco anos.

Uma potencial fraqueza do esquema, observa ele, é a possibilidade de um bisbilhoteiro posicionar um terceiro detector entre os dispositivos do emissor e do receptor e registar os ataques do múon de forma independente. Ele considera que qualquer plano desse tipo seria “totalmente impraticável”, mas diz que o sistema vem com uma salvaguarda incorporada – um pequeno deslocamento temporal em comparação com a hora padrão transmitida pelos satélites GPS. Este deslocamento, que as partes comunicantes podem alterar a qualquer momento à sua escolha, faz com que o suposto bisbilhoteiro discorde sobre os tempos de chegada do múon – com o resultado, diz ele, de que “não podem roubar a chave para descodificar a mensagem”.

A pesquisa é descrita em iCiência.

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