Мюони космічного випромінювання використані для створення криптографічної системи

Випадковий час прибуття мюонів космічних променів на поверхню Землі можна використовувати для кодування та декодування конфіденційних повідомлень – відповідно до Хіроюкі Танака в Токійському університеті. Він стверджує, що нова схема більш безпечна, ніж інші криптографічні системи, оскільки не вимагає від відправника та одержувача повідомлення обмінюватися секретним ключем. Підтвердивши важливі аспекти технології в лабораторії, він вважає, що вона буде комерційно конкурентоспроможною для використання на коротких відстанях в офісах, центрах обробки даних і приватних будинках.

Криптографічні протоколи передбачають створення та розповсюдження секретного ключа, який використовується для шифрування та дешифрування повідомлень. Сьогодні поширені системи криптографії можуть бути зламані тими, хто вміє знаходити прості множники дуже великих чисел. Це надзвичайно важко зробити за допомогою звичайних комп’ютерів, але це має бути набагато легшим завданням за допомогою квантових комп’ютерів майбутнього.

Серед варіантів боротьби з цією загрозою є квантовий – використання принципу невизначеності Гейзенберга, щоб гарантувати, що будь-який потенційний підслуховувач не зможе вкрасти ключ, не виявивши своєї присутності в процесі.

Квантові вади

Однак навіть цей «квантовий розподіл ключів» має свої недоліки. Вчені показали, що можна використати слабкі місця в апаратному забезпеченні шифрування, наприклад, яскраве світло на однофотонних детекторах, щоб перетворити їх на класичні пристрої. Цієї конкретної проблеми можна уникнути, використовуючи третю сторону (яка не обов’язково заслуговує на довіру) для виявлення ключових бітів, але така домовленість дорожча, ніж просте двостороннє шифрування.

Нова пропозиція Танаки розроблена для того, щоб перемогти перехоплювачів, замість цього звернувшись до природного та завжди присутнього джерела випадковості: мюонів космічного випромінювання. Космічні промені, які в основному є протонами, падають на Землю з глибокого космосу та створюють зливи піонів та інших частинок, коли вони стикаються з ядрами в атмосфері. Потім ці піони розпадаються на мюони, які є важкими версіями електрона. Ці мюони стикаються з поверхнею Землі абсолютно незалежно один від одного і здатні проходити крізь велику кількість твердого матеріалу, втрачаючи лише невелику частку своєї енергії через іонізацію матеріалів.

Ідея полягає в тому, щоб розташувати відправника та одержувача повідомлення досить близько один до одного, щоб вони обидва піддавалися впливу однакових потоків космічних променів і могли окремо виявляти певні мюони в потокі, а саме ті частинки, траєкторія яких перетинає детектори обох осіб. Записуючи час прибуття цих мюонів і використовуючи мітки часу як випадкові дані для криптографічних ключів, відправник і одержувач можуть незалежно генерувати однакові секретні ключі – без необхідності надсилати ключі один одному.

Синхронізовані годинники

Щоб переконатися, що відправник і одержувач використовують однакові мюони для створення ключів, необхідно визначити точну часову затримку між двома детектуваннями, що робиться завдяки знанню відстані між детекторами (мюони зазвичай рухаються зі швидкістю 99.95% від швидкості світла) під час ретельної синхронізації. годинники на кожному кінці. Синхронізація може бути досягнута за допомогою системи глобального позиціонування для координації цокання локальних годинників, таких як кристалічні осцилятори.

Танака називає свою техніку «Космічне кодування та передача» (COSMOCAT), і вона використовує два детектори, які вимірюють прибуття мюонів за допомогою пластикового сцинтилятора та фотопомножувача. Проводячи тести в чотири різні дні в червні минулого року, він показав, що мюони справді прибувають у випадкові моменти часу – ймовірність спостереження певної кількості подій за певний період відповідно до пуассонівського розподілу. Він також показав, що два детектори послідовно створювали однакові випадкові мітки часу.

Однак через обмеження в сигналах GPS і електроніці, яка використовувалася для проведення експерименту, він зміг встановити звичайне виявлення мюонів (на відміну від перехоплення інших випадкових частинок) приблизно в 20% випадків. Щоб подолати цю проблему, одержувач використовував кілька ключів, щоб спробувати декодувати дане повідомлення, а потім переходив до наступного повідомлення лише після того, як одержувач сигналізував про успіх.

Розумні будівлі

Ці додаткові кроки додають час процесу дешифрування та сповільнюють швидкість передачі даних. Тим не менш, Танака каже, що система все одно буде значно швидшою за більшість існуючих технологій. Дійсно, узгоджені виявлення відбувалися в середньому приблизно на 20 Гц, що означає швидкість передачі даних принаймні 10 Мбіт/с. Це швидше, ніж 10 Кбіт/с, типові для систем локальної мережі, наприклад Bluetooth Low Energy. Він вважає, що ця більша пропускна здатність повинна зробити нову схему привабливою для бездротового зв’язку малого радіусу дії, такого як підключення датчиків у «розумних» будівлях і безпечний обмін інформацією під час живлення майбутніх електромобілів.

Мюони: зондування глибин ядерних відходів

Як Танака, Михайло Манятакос Нью-Йоркського університету Абу-Дабі в Об’єднаних Арабських Еміратах працював над розробкою генератора випадкових чисел із космічних мюонів для криптографії. Але він і його колеги виявили, що мюони не досягають поверхні Землі в достатній кількості, щоб створити достатню «ентропію» за певний проміжок часу від відповідного маленького детектора. «Наше дослідження дійшло висновку, що мюони не є практичним підходом для джерела випадковості в реальній системі», — говорить він.

Танака визнає, що швидкість виявлення мюонів накладає обмеження на технологію, але наполягає на тому, що швидкість є достатньою для бездротового зв’язку на відстані приблизно до 10 метрів. У своїй демонстрації він використовував досить великі детектори – кожен розміром 1 м² – щоб максимізувати бітрейт. Однак Танака вважає, що він міг би зменшити детектори до п’ятої частини їх поточного розміру, підвищивши швидкість генерації ключів у п’ять разів. Щодо того, скільки часу знадобиться для вдосконалення технології, він каже, що робочий прототип повинен бути протягом п’яти років.

Одним із потенційних недоліків схеми, зазначає він, є можливість того, що перехоплювач може розташувати третій детектор між пристроями відправника та одержувача та незалежно реєструвати удари мюонів. Він вважає, що будь-який такий план був би «абсолютно непрактичним», але каже, що система має вбудований захист – невеликий часовий зсув у порівнянні зі стандартним часом, що транслюється супутниками GPS. Це зміщення, яке сторони, що спілкуються, можуть змінити в будь-який час на свій вибір, призводить до того, що потенційний підслуховувач не погоджується щодо часу прибуття мюонів – і в результаті, за його словами, вони «не можуть викрасти ключ для декодування повідомлення».

Дослідження описано в iScience.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/