Kosmiska strålmyoner som används för att skapa kryptografisystem

De slumpmässiga ankomsttiderna för kosmiska strålmyoner vid jordens yta kan användas för att koda och avkoda konfidentiella meddelanden – enligt Hiroyuki Tanaka vid universitetet i Tokyo. Han hävdar att det nya systemet är säkrare än andra kryptografiska system eftersom det inte kräver att avsändaren och mottagaren av ett meddelande utbyter en hemlig nyckel. Efter att ha bekräftat viktiga aspekter av tekniken i labbet, räknar han med att den kommer att vara kommersiellt konkurrenskraftig för användning över korta avstånd i kontor, datacenter och privata hem.

Kryptografiska protokoll involverar generering och distribution av en hemlig nyckel som används för att kryptera och dekryptera meddelanden. Idag kan vanliga kryptografisystem knäckas av de som har förmågan att hitta primtalsfaktorerna för mycket stora tal. Detta är jävligt svårt att göra med konventionella datorer, men det borde vara en mycket lättare uppgift med framtidens kvantdatorer.

Bland alternativen för att hantera detta hot är självt kvantum – användningen av Heisenbergs osäkerhetsprincip för att säkerställa att alla tänkbara avlyssnare inte kan stjäla nyckeln utan att avslöja sin närvaro i processen.

Kvantbrister

Men även denna "kvantnyckelfördelning" har sina brister. Forskare har visat att det är möjligt att utnyttja svagheter i krypteringshårdvaran, som att lysa starkt ljus på enfotondetektorer för att förvandla dem till klassiska enheter. Detta speciella problem kan undvikas genom att använda en tredje part (som inte behöver vara pålitlig) för att utföra detekteringen av nyckelbitar, men detta arrangemang är dyrare än enkel tvåpartskryptering.

Tanakas nya förslag är utformat för att besegra avlyssnare genom att istället vända sig till en naturlig och ständigt närvarande resurs av slumpmässighet: kosmiska strålmyoner. Kosmiska strålar, som huvudsakligen är protoner, regnar ner på jorden från rymden och genererar regnskurar av pioner och andra partiklar när de kolliderar med kärnor i atmosfären. Dessa pioner sönderfaller sedan till myoner, som är tunga versioner av elektronen. Dessa myoner träffar jordens yta helt oberoende av varandra och kan passera genom stora mängder fast material medan de bara förlorar en liten bråkdel av sin energi genom att jonisera materialen.

Tanken är att placera meddelandesändaren och mottagaren så nära varandra att de båda utsätts för samma kosmiska strålduschar och kan göra sina egna separata upptäckter av specifika myoner i en dusch – nämligen de partiklar vars bana korsar detektorerna av båda individerna. Genom att var och en registrera ankomsttiden för dessa myoner och använda tidsstämplarna som slumpmässiga data för kryptografiska nycklar, kan avsändaren och mottagaren oberoende generera samma hemliga nycklar – utan att behöva skicka nycklarna till varandra.

Synkroniserade klockor

Att säkerställa att sändare och mottagare använder samma myoner för att skapa nycklarna är beroende av att man räknar ut den exakta tidsfördröjningen mellan de två detekteringarna, vilket görs genom att känna till avståndet mellan detektorerna (myoner färdas vanligtvis med 99.95 % av ljusets hastighet) samtidigt som man noggrant synkroniserar klockor i varje ände. Synkronisering kan uppnås med hjälp av ett globalt positioneringssystem för att koordinera tickandet av lokala klockor såsom kristalloscillatorer.

Tanaka kallar sin teknik för "Cosmic Coding & Transfer" (COSMOCAT) och den använder två detektorer som mäter myons ankomst med en plastscintillator och ett fotomultiplikatorrör. Genom att utföra tester på fyra olika dagar i juni förra året visade han att myoner verkligen anländer vid slumpmässiga tidpunkter - sannolikheten att observera ett givet antal händelser under en viss period efter en Poisson-fördelning. Han visade också att de två detektorerna konsekvent producerade samma, slumpmässiga tidsstämplar.

Men på grund av begränsningar i GPS-signalerna och den elektronik som användes för att genomföra experimentet kunde han endast etablera vanliga myondetekteringar (i motsats till avlyssning av andra slumpmässiga partiklar) i cirka 20 % av fallen. Att övervinna detta problem innebar att mottagaren använde flera nycklar för att försöka avkoda ett givet meddelande och sedan gå vidare till nästa meddelande först när mottagaren hade signalerat framgång.

Smarta byggnader

Dessa extra steg lägger till tid till dekrypteringsprocessen och saktar därför ner hastigheten med vilken data kan överföras. Ändå säger Tanaka att systemet fortfarande skulle vara betydligt snabbare än mycket befintlig teknik. Faktum är att överenskomna detektioner ägde rum vid ett genomsnitt på cirka 20 Hz, vilket innebär en dataöverföringshastighet på minst 10 Mbps. Detta är snabbare än de 10 kbps som är typiska för ett lokalt nätverkssystem som Bluetooth Low Energy. Han anser att denna större bandbredd borde göra det nya systemet attraktivt för trådlös kommunikation med kort räckvidd, som att ansluta sensorer i "smarta" byggnader och säkert utbyta information under driften av framtida elfordon.

Muoner: sondering av kärnavfallets djup

Som Tanaka, Michail Maniatakos från New York University Abu Dhabi i Förenade Arabemiraten har arbetat med att utveckla en slumptalsgenerator från kosmiska myoner för kryptografi. Men han och hans kollegor fann att myoner inte anländer till jordens yta i tillräckligt antal för att generera tillräckligt med "entropi" under en viss tid från en lämplig liten detektor. "Vår forskning drog slutsatsen att myoner inte är ett praktiskt tillvägagångssätt för att hämta slumpmässighet i ett verkligt system", säger han.

Tanaka erkänner att myondetekteringshastigheter sätter gränser för tekniken men insisterar på att hastigheterna är tillräckliga för trådlös kommunikation över avstånd på upp till cirka 10 m. I sin demonstration använde han ganska stora detektorer – var och en på 1 m² – för att maximera bithastigheten. Tanaka tror dock att han skulle kunna krympa detektorerna till en femtedel av deras nuvarande storlek genom att höja nyckelgenereringshastigheten med en faktor fem. När det gäller hur lång tid det kommer att ta att fullända tekniken säger han att han borde ha en fungerande prototyp inom fem år.

En potentiell svaghet i schemat, noterar han, är möjligheten att en avlyssnare kan placera en tredje detektor mellan avsändarens och mottagarens enheter och registrera myonanslagen oberoende av varandra. Han räknar med att en sådan plan skulle vara "helt opraktisk" men säger att systemet kommer med ett inbyggt skydd - en liten tidsmässig förskjutning jämfört med standardtid som sänds av GPS-satelliter. Denna förskjutning, som de kommunicerande parterna kan ändra när som helst efter eget val, gör att den blivande avlyssnaren inte håller med om muonens ankomsttider – med resultatet, säger han, att de "inte kan stjäla nyckeln för att avkoda meddelandet".

Forskningen beskrivs i iScience.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/