Muon tia vũ trụ được sử dụng để tạo hệ thống mật mã

Thời gian đến ngẫu nhiên của các hạt muon tia vũ trụ trên bề mặt Trái đất có thể được sử dụng để mã hóa và giải mã các thông điệp bí mật – theo Hiroyuki Tanaka tại Đại học Tokyo. Ông tuyên bố rằng sơ đồ mới an toàn hơn các hệ thống mật mã khác vì nó không yêu cầu người gửi và người nhận tin nhắn trao đổi khóa bí mật. Sau khi xác nhận các khía cạnh quan trọng của công nghệ trong phòng thí nghiệm, ông cho rằng nó sẽ cạnh tranh về mặt thương mại để sử dụng trong khoảng cách ngắn trong văn phòng, trung tâm dữ liệu và nhà riêng.

Các giao thức mã hóa liên quan đến việc tạo và phân phối một khóa bí mật được sử dụng để mã hóa và giải mã các thông điệp. Ngày nay, các hệ thống mật mã được sử dụng phổ biến có thể bị bẻ khóa bởi những người có khả năng tìm ra các thừa số nguyên tố của các số rất lớn. Điều này cực kỳ khó thực hiện khi sử dụng máy tính thông thường nhưng nó sẽ là một nhiệm vụ dễ dàng hơn nhiều khi sử dụng máy tính lượng tử của tương lai.

Trong số các lựa chọn để đối phó với mối đe dọa này chính là lượng tử – việc sử dụng nguyên lý bất định của Heisenberg để đảm bảo rằng bất kỳ kẻ nghe lén nào cũng không thể đánh cắp khóa mà không tiết lộ sự hiện diện của họ trong quá trình này.

lỗ hổng lượng tử

Tuy nhiên, ngay cả “sự phân phối khóa lượng tử” này cũng có những sai sót của nó. Các nhà khoa học đã chỉ ra rằng có thể khai thác các điểm yếu trong phần cứng mã hóa, chẳng hạn như chiếu ánh sáng mạnh vào các máy dò photon đơn lẻ để biến chúng thành các thiết bị cổ điển. Vấn đề cụ thể này có thể tránh được bằng cách sử dụng một bên thứ ba (không cần phải đáng tin cậy) để thực hiện việc phát hiện các bit chính, nhưng sự sắp xếp này đắt hơn so với mã hóa hai bên đơn giản.

Đề xuất mới của Tanaka được thiết kế để đánh bại những kẻ nghe trộm bằng cách chuyển sang một nguồn ngẫu nhiên tự nhiên và luôn hiện hữu: các muon tia vũ trụ. Các tia vũ trụ, chủ yếu là các proton, mưa xuống Trái đất từ ​​không gian sâu thẳm và tạo ra các trận mưa pion và các hạt khác khi chúng va chạm với các hạt nhân trong khí quyển. Những pion đó sau đó phân hủy thành muon, là phiên bản nặng của electron. Những muon này va chạm với bề mặt Trái đất hoàn toàn độc lập với nhau và có thể đi qua một lượng lớn vật liệu rắn trong khi chỉ mất một phần nhỏ năng lượng do ion hóa vật liệu.

Ý tưởng là đặt người gửi và người nhận thông điệp đủ gần nhau để cả hai đều tiếp xúc với cùng một trận mưa tia vũ trụ và có thể phát hiện riêng các muon cụ thể trong một trận mưa - cụ thể là những hạt có quỹ đạo đi qua máy dò của cả hai cá nhân. Bằng cách ghi lại thời gian đến của các muon đó và sử dụng các dấu thời gian làm dữ liệu ngẫu nhiên cho các khóa mật mã, người gửi và người nhận có thể tạo các khóa bí mật giống nhau một cách độc lập – mà không cần phải gửi các khóa cho nhau.

Đồng hồ đồng bộ

Việc đảm bảo rằng người gửi và người nhận sử dụng cùng một muon để tạo khóa phụ thuộc vào việc tìm ra độ trễ thời gian chính xác giữa hai lần phát hiện, điều này được thực hiện bằng cách biết khoảng cách giữa các máy dò (các hạt muon thường di chuyển ở 99.95% tốc độ ánh sáng) trong khi đồng bộ hóa cẩn thận đồng hồ ở mỗi đầu. Đồng bộ hóa có thể đạt được bằng cách sử dụng hệ thống định vị toàn cầu để điều phối tiếng tích tắc của đồng hồ cục bộ, chẳng hạn như bộ tạo dao động tinh thể.

Tanaka gọi kỹ thuật của mình là “Mã hóa & Chuyển giao Vũ trụ” (COSMOCAT) và nó sử dụng hai máy dò đo sự xuất hiện của muon bằng một máy nhấp nháy nhựa và một ống nhân quang. Thực hiện các thử nghiệm vào bốn ngày khác nhau vào tháng XNUMX năm ngoái, ông đã chỉ ra rằng muon thực sự đến các điểm ngẫu nhiên trong thời gian – xác suất quan sát một số sự kiện nhất định trong một khoảng thời gian nhất định theo phân phối Poissonia. Ông cũng chỉ ra rằng hai máy dò liên tục tạo ra các tem thời gian ngẫu nhiên giống nhau.

Tuy nhiên, do những hạn chế trong tín hiệu GPS và thiết bị điện tử được sử dụng để thực hiện thí nghiệm, ông chỉ có thể thiết lập các phát hiện muon thông thường (trái ngược với việc chặn các hạt ngẫu nhiên khác) trong khoảng 20% ​​trường hợp. Khắc phục sự cố này liên quan đến việc người nhận sử dụng nhiều khóa để thử và giải mã một thông báo nhất định, sau đó chuyển sang thông báo tiếp theo chỉ sau khi người nhận báo hiệu thành công.

Tòa nhà thông minh

Các bước bổ sung này làm tăng thêm thời gian cho quá trình giải mã và do đó làm chậm tốc độ truyền dữ liệu. Tuy nhiên, Tanaka nói rằng hệ thống này vẫn sẽ nhanh hơn đáng kể so với nhiều công nghệ hiện có. Thật vậy, các phát hiện đã được thống nhất diễn ra ở tần số trung bình khoảng 20 Hz, có nghĩa là tốc độ truyền dữ liệu ít nhất là 10 Mb/giây. Tốc độ này nhanh hơn tốc độ 10 kbps điển hình của hệ thống mạng cục bộ như Bluetooth Low Energy. Ông cho rằng băng thông lớn hơn này sẽ làm cho sơ đồ mới trở nên hấp dẫn đối với giao tiếp không dây tầm ngắn, chẳng hạn như kết nối các cảm biến trong các tòa nhà “thông minh” và trao đổi thông tin an toàn trong quá trình cung cấp năng lượng cho các phương tiện điện trong tương lai.

Muons: thăm dò độ sâu của chất thải hạt nhân

Như Tanaka, Michail Maniatakos của Đại học New York Abu Dhabi ở Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất đã nghiên cứu phát triển một bộ tạo số ngẫu nhiên từ các muon vũ trụ cho mật mã. Nhưng ông và các đồng nghiệp của mình đã phát hiện ra rằng các muon không đến bề mặt Trái đất với số lượng đủ để tạo ra đủ “entropy” trong một khoảng thời gian nhất định từ một máy dò nhỏ phù hợp. Ông nói: “Nghiên cứu của chúng tôi kết luận rằng muon không phải là một cách tiếp cận thực tế để tìm nguồn ngẫu nhiên trong một hệ thống thực.

Tanaka thừa nhận rằng tốc độ phát hiện muon đặt ra giới hạn cho công nghệ nhưng khẳng định rằng tốc độ đó đủ để liên lạc không dây trong khoảng cách lên tới khoảng 10 m. Trong phần trình diễn của mình, anh ấy đã sử dụng các máy dò khá lớn – mỗi máy có kích thước 1 m² – để tối đa hóa tốc độ bit. Tuy nhiên, Tanaka cho rằng ông có thể thu nhỏ các máy dò xuống còn XNUMX/XNUMX kích thước hiện tại của chúng bằng cách tăng tốc độ tạo khóa lên gấp XNUMX lần. Về việc sẽ mất bao lâu để hoàn thiện công nghệ, anh ấy nói rằng anh ấy sẽ có một nguyên mẫu hoạt động được trong vòng XNUMX năm.

Ông lưu ý, một điểm yếu tiềm ẩn trong kế hoạch này là khả năng một kẻ nghe lén có thể đặt một máy dò thứ ba giữa các thiết bị của người gửi và người nhận và ghi lại các cuộc tấn công của muon một cách độc lập. Anh ấy cho rằng bất kỳ kế hoạch nào như vậy sẽ “hoàn toàn không thực tế” nhưng nói rằng hệ thống này đi kèm với một biện pháp bảo vệ tích hợp – một sự bù đắp nhỏ về thời gian so với thời gian tiêu chuẩn được phát bởi các vệ tinh GPS. Sự bù đắp này, mà các bên giao tiếp có thể thay đổi bất cứ lúc nào họ chọn, khiến kẻ nghe lén không đồng ý về thời gian đến của muon – với kết quả cuối cùng, ông nói, rằng họ “không thể đánh cắp chìa khóa để giải mã thông điệp”.

Nghiên cứu được mô tả trong iScience.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://physicsworld.com/a/cosmic-ray-muons-used-to-create-cryptography-system/