Мюоны космических лучей используются для создания криптографической системы

Случайное время прибытия мюонов космических лучей на поверхность Земли может быть использовано для кодирования и декодирования конфиденциальных сообщений. Хироюки Танака в Токийском университете. Он утверждает, что новая схема более безопасна, чем другие криптографические системы, поскольку не требует, чтобы отправитель и получатель сообщения обменивались секретным ключом. Подтвердив важные аспекты технологии в лаборатории, он считает, что она будет коммерчески конкурентоспособной для использования на коротких расстояниях в офисах, центрах обработки данных и частных домах.

Криптографические протоколы включают генерацию и распространение секретного ключа, который используется для шифрования и дешифрования сообщений. Сегодня широко используемые криптографические системы могут быть взломаны теми, кто способен находить простые множители очень больших чисел. Это чертовски сложно сделать с помощью обычных компьютеров, но с квантовыми компьютерами будущего это должно стать намного проще.

Среди вариантов борьбы с этой угрозой есть сама квантовая — использование принципа неопределенности Гейзенберга, гарантирующего, что любой потенциальный перехватчик не сможет украсть ключ, не обнаружив своего присутствия в процессе.

Квантовые недостатки

Однако даже у такого «квантового распределения ключей» есть свои недостатки. Ученые показали, что можно использовать слабые места в оборудовании для шифрования, например, освещая однофотонные детекторы ярким светом, чтобы превратить их в классические устройства. Этой конкретной проблемы можно избежать, привлекая третью сторону (которая не обязательно должна быть заслуживающей доверия) для обнаружения битов ключа, но такая схема обходится дороже, чем прямое двухстороннее шифрование.

Новое предложение Танаки предназначено для того, чтобы победить подслушивающих, вместо этого обратившись к естественному и вездесущему ресурсу случайности: мюонам космических лучей. Космические лучи, которые в основном состоят из протонов, падают на Землю из глубокого космоса и порождают потоки пионов и других частиц при столкновении с ядрами в атмосфере. Эти пионы затем распадаются на мюоны, которые являются тяжелыми версиями электрона. Эти мюоны ударяются о поверхность Земли совершенно независимо друг от друга и способны проходить через большое количество твердого материала, теряя лишь небольшую часть своей энергии за счет ионизации материалов.

Идея состоит в том, чтобы расположить отправителя и получателя сообщения достаточно близко друг к другу, чтобы они оба подвергались воздействию одних и тех же потоков космических лучей и могли самостоятельно регистрировать определенные мюоны в потоке, а именно те частицы, траектория которых пересекает детекторы. обоих лиц. Каждый раз записывая время прибытия этих мюонов и используя метки времени в качестве случайных данных для криптографических ключей, отправитель и получатель могут независимо генерировать одни и те же секретные ключи — без необходимости отправлять ключи друг другу.

Синхронизированные часы

Обеспечение того, чтобы отправитель и получатель использовали одни и те же мюоны для создания ключей, зависит от определения точной временной задержки между двумя обнаружениями, что достигается путем знания расстояния между детекторами (мюоны обычно движутся со скоростью 99.95% скорости света) при тщательной синхронизации. часы на каждом конце. Синхронизация может быть достигнута с помощью системы глобального позиционирования для координации хода локальных часов, таких как кварцевые генераторы.

Танака называет свою технику «Космическое кодирование и передача» (COSMOCAT), и в ней используются два детектора, которые измеряют приход мюонов с помощью пластикового сцинтиллятора и фотоумножителя. Проводя тесты в четыре разных дня в июне прошлого года, он показал, что мюоны действительно прибывают в случайные моменты времени — вероятность наблюдения заданного количества событий в определенный период соответствует пуассоновскому распределению. Он также показал, что два детектора постоянно выдавали одни и те же случайные метки времени.

Однако из-за ограничений сигналов GPS и электроники, используемой для проведения эксперимента, ему удалось установить обычное обнаружение мюонов (в отличие от перехвата других случайных частиц) примерно в 20% случаев. Чтобы преодолеть эту проблему, получатель использовал несколько ключей, чтобы попытаться расшифровать данное сообщение, а затем переходил к следующему сообщению только после того, как получатель сообщил об успехе.

Умные здания

Эти дополнительные шаги увеличивают время процесса расшифровки и, таким образом, замедляют скорость передачи данных. Тем не менее, Танака говорит, что система все равно будет значительно быстрее многих существующих технологий. Действительно, согласованные обнаружения происходили в среднем на частоте около 20 Гц, что подразумевает скорость передачи данных не менее 10 Мбит/с. Это быстрее, чем 10 кбит/с, типичные для локальной сетевой системы, такой как Bluetooth Low Energy. Он считает, что эта большая пропускная способность должна сделать новую схему привлекательной для беспроводной связи ближнего действия, такой как подключение датчиков в «умных» зданиях и безопасный обмен информацией во время питания будущих электромобилей.

Мюоны: зондирование недр ядерных отходов

Как Танака, Михаил Маниатакос из Нью-Йоркского университета Абу-Даби в Объединенных Арабских Эмиратах работал над созданием генератора случайных чисел на основе космических мюонов для криптографии. Но он и его коллеги обнаружили, что мюоны не достигают поверхности Земли в количестве, достаточном для генерации достаточной «энтропии» за заданный промежуток времени с помощью достаточно маленького детектора. «Наше исследование пришло к выводу, что мюоны не являются практическим подходом к источнику случайности в реальной системе», — говорит он.

Танака признает, что скорость обнаружения мюонов накладывает ограничения на технологию, но настаивает на том, что скорость достаточна для беспроводной связи на расстоянии до 10 м. В своей демонстрации он использовал довольно большие детекторы – каждый размером 1 м.² – чтобы максимизировать битрейт. Тем не менее, Танака считает, что он мог бы уменьшить детекторы до пятой части их текущего размера, увеличив скорость генерации ключей в пять раз. Что касается того, сколько времени потребуется для совершенствования технологии, он говорит, что у него должен быть рабочий прототип в течение пяти лет.

Он отмечает, что одним потенциальным недостатком схемы является возможность того, что подслушиватель может расположить третий детектор между устройствами отправителя и получателя и независимо регистрировать удары мюонов. Он считает, что любой такой план был бы «совершенно непрактичным», но говорит, что система имеет встроенную защиту — небольшое временное смещение по сравнению со стандартным временем, передаваемым спутниками GPS. Это смещение, которое взаимодействующие стороны могут изменить в любое время по своему выбору, приводит к тому, что потенциальный подслушиватель не соглашается с временем прихода мюона — в результате, по его словам, они «не могут украсть ключ для декодирования сообщения».

Исследование описано в iScience.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/