Muoni de raze cosmice folosiți pentru a crea un sistem de criptare

Timpii aleatori de sosire a muonilor de raze cosmice la suprafața Pământului pot fi folosiți pentru a codifica și decoda mesaje confidențiale - conform Hiroyuki Tanaka la Universitatea din Tokyo. El susține că noua schemă este mai sigură decât alte sisteme criptografice, deoarece nu necesită ca expeditorul și receptorul unui mesaj să schimbe o cheie secretă. După ce a confirmat aspecte importante ale tehnologiei în laborator, el consideră că va fi competitivă din punct de vedere comercial pentru utilizare pe distanțe scurte în birouri, centre de date și case private.

Protocoalele criptografice implică generarea și distribuirea unei chei secrete care este utilizată pentru a cripta și decripta mesajele. Astăzi, sistemele de criptografie utilizate în mod obișnuit ar putea fi sparte de cei care au capacitatea de a găsi factorii primi ai numerelor foarte mari. Acest lucru este extrem de dificil de realizat folosind computere convenționale, dar ar trebui să fie o sarcină mult mai ușoară folosind computerele cuantice ale viitorului.

Printre opțiunile pentru a face față acestei amenințări se numără ea însăși cuantică - utilizarea principiului incertitudinii lui Heisenberg pentru a se asigura că orice posibil urmăritor nu poate fura cheia fără a-și dezvălui prezența în proces.

Defecte cuantice

Cu toate acestea, chiar și această „distribuție a cheilor cuantice” are defectele sale. Oamenii de știință au arătat că este posibil să se exploateze punctele slabe ale hardware-ului de criptare, cum ar fi lumina strălucitoare a detectorilor cu un singur foton pentru a le transforma în dispozitive clasice. Această problemă specială poate fi evitată prin utilizarea unei terțe părți (care nu trebuie să fie de încredere) pentru a realiza detectarea biților cheie, dar acest aranjament este mai costisitor decât criptarea simplă a două părți.

Noua propunere a lui Tanaka este concepută pentru a-i învinge pe intervievați, apelând în schimb la o resursă naturală și mereu prezentă de aleatoriu: muonii de raze cosmice. Razele cosmice, care sunt în principal protoni, plouă pe Pământ din spațiul adânc și generează ploaie de pioni și alte particule atunci când se ciocnesc cu nucleele din atmosferă. Acei pioni se descompun apoi în muoni, care sunt versiuni grele ale electronului. Acești muoni lovesc suprafața Pământului complet independent unul de celălalt și sunt capabili să treacă prin cantități mari de material solid, pierzând în același timp doar o mică parte din energia lor prin ionizarea materialelor.

Ideea este de a poziționa emițătorul și receptorul mesajului suficient de aproape unul de celălalt încât ambii să fie expuși la aceleași averse de raze cosmice și să poată face propriile detectări separate de muoni specifici într-un duș - și anume acele particule a căror traiectorie traversează detectorii. a ambilor indivizi. Prin fiecare înregistrare a orei de sosire a acelor muoni și folosind marcajele de timp ca date aleatorii pentru cheile criptografice, expeditorul și receptorul pot genera în mod independent aceleași chei secrete - fără a fi nevoiți să trimită cheile unul altuia.

Ceasuri sincronizate

Asigurarea faptului că emițătorul și receptorul folosesc aceiași muoni pentru a crea cheile se bazează pe stabilirea întârzierii precise dintre cele două detecții, care se realizează prin cunoașterea distanței dintre detectoare (muonii călătoresc de obicei la 99.95% din viteza luminii) în timp ce se sincronizează cu atenție. ceasuri la fiecare capăt. Sincronizarea poate fi realizată folosind un sistem de poziționare globală pentru a coordona ticăitul ceasurilor locale, cum ar fi oscilatoarele cu cristal.

Tanaka își numește tehnica „Cosmic Coding & Transfer” (COSMOCAT) și folosește doi detectoare care măsoară sosirea muonilor cu un scintilator de plastic și un tub fotomultiplicator. Efectuând teste în patru zile diferite în iunie anul trecut, el a arătat că muonii ajung într-adevăr la momente aleatorii în timp - probabilitatea de a observa un anumit număr de evenimente într-o anumită perioadă după o distribuție Poissoniană. El a arătat, de asemenea, că cei doi detectoare au produs în mod constant aceleași mărci de timp aleatorii.

Cu toate acestea, din cauza limitărilor semnalelor GPS și a electronicii utilizate pentru a efectua experimentul, el a reușit să stabilească numai detectii comune de muoni (spre deosebire de interceptarea altor particule aleatoare) în aproximativ 20% din cazuri. Depășirea acestei probleme a implicat receptorul să folosească mai multe taste pentru a încerca să decodeze un anumit mesaj și apoi să treacă la următorul mesaj numai după ce receptorul a semnalat succesul.

Clădiri inteligente

Acești pași suplimentari adaugă timp procesului de decriptare și astfel încetinesc rata la care pot fi transmise datele. Cu toate acestea, Tanaka spune că sistemul ar fi în continuare considerabil mai rapid decât multe tehnologii existente. Într-adevăr, detecțiile convenite au avut loc la o medie de aproximativ 20 Hz, implicând o rată de transmisie a datelor de cel puțin 10 Mbps. Acesta este mai rapid decât cei 10 kbps tipici unui sistem de rețea locală, cum ar fi Bluetooth Low Energy. El consideră că această lățime de bandă mai mare ar trebui să facă noua schemă atractivă pentru comunicațiile wireless pe rază scurtă, cum ar fi conectarea senzorilor în clădiri „inteligente” și schimbul de informații în siguranță în timpul alimentării viitoarelor vehicule electrice.

Muoni: sondarea adâncimii deșeurilor nucleare

Ca și Tanaka, Mihail Maniatakos de la Universitatea New York Abu Dhabi din Emiratele Arabe Unite a lucrat la dezvoltarea unui generator de numere aleatorii din muoni cosmici pentru criptografie. Dar el și colegii săi au descoperit că muonii nu ajung la suprafața Pământului în număr suficient pentru a genera suficientă „entropie” într-o anumită perioadă de timp de la un detector suficient de mic. „Cercetarea noastră a concluzionat că muonii nu sunt o abordare practică pentru găsirea aleatoriei într-un sistem real”, spune el.

Tanaka recunoaște că ratele de detectare a muonilor pun limite pentru tehnologie, dar insistă că ratele sunt adecvate pentru comunicațiile fără fir pe distanțe de până la aproximativ 10 m. În demonstrația sa a folosit detectoare destul de mari – fiecare măsurând 1 m² – pentru a maximiza rata de biți. Cu toate acestea, Tanaka consideră că ar putea micșora detectoarele la o cincime din dimensiunea lor actuală prin creșterea ratei de generare a cheilor cu un factor de cinci. Cât timp va dura pentru a perfecționa tehnologia, el spune că ar trebui să aibă un prototip funcțional în cinci ani.

O slăbiciune potențială a schemei, notează el, este posibilitatea ca un interceptător să poziționeze un al treilea detector între dispozitivele emițătorului și celui receptor și să înregistreze loviturile muonilor în mod independent. El consideră că un astfel de plan ar fi „total nepractic”, dar spune că sistemul vine cu o protecție încorporată – o mică compensare temporală în comparație cu ora standard transmisă de sateliții GPS. Această compensare, pe care părțile care comunică o pot modifica în orice moment la alegere, îl face pe viitorul interceptător să nu fie de acord cu privire la orele de sosire a muonilor – cu rezultatul, spune el, că „nu pot fura cheia pentru a decoda mesajul”.

Cercetarea este descrisă în iScience.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/