Mioni kozmičnih žarkov, ki se uporabljajo za ustvarjanje kriptografskega sistema

Naključne čase prihoda mionov kozmičnih žarkov na zemeljsko površino je mogoče uporabiti za kodiranje in dekodiranje zaupnih sporočil – v skladu z Hiroyuki Tanaka na Univerzi v Tokiu. Trdi, da je nova shema varnejša od drugih kriptografskih sistemov, saj pošiljatelju in prejemniku sporočila ni treba izmenjati tajnega ključa. Potem ko je potrdil pomembne vidike tehnologije v laboratoriju, meni, da bo komercialno konkurenčna za uporabo na kratkih razdaljah v pisarnah, podatkovnih centrih in zasebnih domovih.

Kriptografski protokoli vključujejo generiranje in distribucijo skrivnega ključa, ki se uporablja za šifriranje in dešifriranje sporočil. Danes pogosto uporabljene kriptografske sisteme lahko razbijejo tisti, ki znajo najti prafaktorje zelo velikih števil. To je hudičevo težko narediti z uporabo običajnih računalnikov, vendar bi morala biti to veliko lažja naloga z uporabo kvantnih računalnikov prihodnosti.

Med možnostmi za spopadanje s to grožnjo je sama kvantna – uporaba Heisenbergovega načela negotovosti za zagotovitev, da morebitni prisluškovalec ne more ukrasti ključa, ne da bi razkril svojo prisotnost v procesu.

Kvantne napake

Vendar ima tudi ta "kvantna porazdelitev ključev" svoje pomanjkljivosti. Znanstveniki so pokazali, da je mogoče izkoristiti slabosti v šifrirni strojni opremi, kot je osvetljevanje enofotonskih detektorjev z močno svetlobo in jih spremeniti v klasične naprave. Temu posebnemu problemu se je mogoče izogniti z uporabo tretje osebe (ki ni nujno, da je vredna zaupanja) za izvedbo odkrivanja ključnih bitov, vendar je ta ureditev dražja kot preprosto dvostransko šifriranje.

Tanakin novi predlog je zasnovan tako, da premaga prisluškovalce tako, da se namesto tega obrne k naravnemu in vedno prisotnemu viru naključnosti: mionom kozmičnih žarkov. Kozmični žarki, ki so večinoma protoni, padajo na Zemljo iz globokega vesolja in ob trku z jedri v atmosferi ustvarjajo rove pionov in drugih delcev. Ti pioni nato razpadejo v mione, ki so težke različice elektrona. Ti mioni zadenejo zemeljsko površino popolnoma neodvisno drug od drugega in lahko preidejo skozi velike količine trdnega materiala, pri tem pa izgubijo le majhen del svoje energije z ionizacijo materialov.

Ideja je postaviti pošiljatelja in prejemnika sporočila dovolj blizu drug drugemu, da sta oba izpostavljena istim pljuskom kozmičnih žarkov in lahko ločeno zaznavata določene mione znotraj pljuska – namreč tiste delce, katerih pot prečka detektorje obeh posameznikov. Z vsakim snemanjem časa prihoda teh mionov in uporabo časovnih žigov kot naključnih podatkov za kriptografske ključe lahko pošiljatelj in prejemnik neodvisno ustvarita iste tajne ključe – ne da bi morala ključe pošiljati drug drugemu.

Sinhronizirane ure

Zagotavljanje, da pošiljatelj in prejemnik uporabljata iste mione za ustvarjanje ključev, je odvisno od določitve natančnega časovnega zamika med obema detektorjema, kar se izvede s poznavanjem razdalje med detektorjema (mioni običajno potujejo pri 99.95 % svetlobne hitrosti) ob skrbni sinhronizaciji ure na vsakem koncu. Sinhronizacijo je mogoče doseči z uporabo sistema globalnega pozicioniranja za usklajevanje tiktakanja lokalnih ur, kot so kristalni oscilatorji.

Tanaka svojo tehniko imenuje "Cosmic Coding & Transfer" (COSMOCAT) in uporablja dva detektorja, ki merita prihod miona s plastičnim scintilatorjem in fotopomnoževalno cevjo. Z izvajanjem testov na štirih različnih dneh junija lani je pokazal, da mioni dejansko prispejo na naključne točke v času – verjetnost opazovanja določenega števila dogodkov v določenem obdobju po Poissonovi porazdelitvi. Pokazal je tudi, da sta oba detektorja dosledno proizvajala enake, naključne časovne žige.

Vendar je zaradi omejitev signalov GPS in elektronike, uporabljene za izvedbo eksperimenta, uspel vzpostaviti običajne detekcije mionov (v nasprotju s prestrezanjem drugih naključnih delcev) le v približno 20 % primerov. Premagovanje te težave je vključevalo prejemnika, ki je uporabil več ključev, da bi poskusil dekodirati dano sporočilo in nato prešel na naslednje sporočilo šele, ko je prejemnik signaliziral uspeh.

Pametne zgradbe

Ti dodatni koraki podaljšajo postopek dešifriranja in tako upočasnijo hitrost prenosa podatkov. Kljub temu Tanaka pravi, da bi bil sistem še vedno precej hitrejši od večine obstoječe tehnologije. Dejansko so dogovorjene detekcije potekale pri povprečju okoli 20 Hz, kar pomeni hitrost prenosa podatkov vsaj 10 Mbps. To je hitreje od 10 kb/s, ki je značilno za lokalne omrežne sisteme, kot je Bluetooth Low Energy. Meni, da bi morala ta večja pasovna širina narediti novo shemo privlačno za brezžično komunikacijo kratkega dosega, kot je povezovanje senzorjev v "pametnih" zgradbah in varna izmenjava informacij med napajanjem prihodnjih električnih vozil.

Mioni: sondiranje globin jedrskih odpadkov

Tako kot Tanaka, Mihael Maniatakos z newyorške univerze Abu Dhabi v Združenih arabskih emiratih je delal na razvoju generatorja naključnih števil iz kozmičnih mionov za kriptografijo. Toda on in njegovi kolegi so ugotovili, da mioni ne pridejo na zemeljsko površje v zadostnem številu, da bi ustvarili dovolj "entropije" v določenem času iz primerno majhnega detektorja. "Naša raziskava je pokazala, da mioni niso praktičen pristop za pridobivanje naključnosti v resničnem sistemu," pravi.

Tanaka priznava, da hitrost zaznavanja mionov omejuje tehnologijo, vendar vztraja, da so stopnje primerne za brezžično komunikacijo na razdaljah do približno 10 m. Pri svoji predstavitvi je uporabil precej velike detektorje – vsak je meril 1 m² – da bi povečali bitno hitrost. Vendar Tanaka meni, da bi lahko skrčil detektorje na petino njihove trenutne velikosti s povečanjem stopnje generiranja ključev za faktor pet. Glede tega, kako dolgo bo trajalo izpopolnjevanje tehnologije, pravi, da bi moral imeti delujoč prototip v petih letih.

Ena potencialna slabost v shemi, ugotavlja, je možnost, da bi prisluškovalec lahko postavil tretji detektor med pošiljateljevo in prejemnikovo napravo in neodvisno posnel mionske udarce. Meni, da bi bil vsak tak načrt "popolnoma nepraktičen", vendar pravi, da ima sistem vgrajeno varovalko - majhen časovni odmik v primerjavi s standardnim časovnim oddajanjem satelitov GPS. Ta odmik, ki ga lahko komunicirajoče strani spremenijo kadar koli po lastni izbiri, povzroči, da se morebitni prisluškovalec ne strinja s časom prihoda mionov – z rezultatom, pravi, da "ne morejo ukrasti ključa za dekodiranje sporočila".

Raziskava je opisana v iScience.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/