Photonen-Zufallszahlengenerator: Die zuverlässigste Verschlüsselung?

Informationen sind eine der wertvollsten Ressourcen unserer Zeit. Sind die Informationen hilfreich? Die Frage ist rhetorisch. Ja natürlich. Aber in die falschen Hände zu fallen, kann Schaden anrichten. Aus diesem Grund werden verschiedene Methoden, Techniken und Datenverschlüsselungsalgorithmen verwendet. Wenn Sie etwas im Netzwerk kaufen, möchten Sie schließlich nicht, dass Ihre Rechnungsinformationen an einen Gauner gelangen. Allerdings sind nicht alle Algorithmen gleich gut. Datenschutz und Hacker (der Einfachheit halber werden wir alle Datendiebe so nennen) arbeiten immer voreinander. Mit dem Aufkommen einer neuen Verschlüsselungsmethode erscheinen auch neue Methoden, um diese zu umgehen. Aber was ist, wenn es einen Algorithmus gibt, der nicht geknackt werden kann? Dies wird durch Quantenzufallszahlengeneratoren unterstützt. Forscher der Universität Bristol (UK) haben ein neues Verschlüsselungsgerät entwickelt - einen 1 mm ^2- Chip, der mithilfe von Photonen Zahlen erzeugt. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal des neuen Produkts ist seine Geschwindigkeit - mehr als 1 Gbit / s. Welche Schwierigkeiten mussten Sie überwinden, was sind die Vorteile dieses speziellen Geräts im Vergleich zu anderen und wie sicher werden unsere Daten damit sein? Wir werden im Bericht der Forscher nach Antworten auf diese und andere Fragen suchen. Lass uns gehen.

Das Funktionsprinzip des Gerätes

Grundlage der neuen Vorrichtung sind die Prinzipien der Siliziumphotonik, die übertrieben wie folgt beschrieben werden können: Der Strom elektrischer Signale fließt durch den Sender, wo sie in optische Signale umgewandelt werden; dann gehen die Signale in den Empfänger, wo sie wieder in elektrische umgewandelt werden.

Schematisch sieht es so aus:



Mit dieser Technologie wurde es möglich, Wellenleiter in Silizium zu integrieren, die Licht (optisches Signal) durch den Chip lenken und dabei keinen Lichtverlust verursachen. Infolgedessen können solche Wellenleiter mit eingebauten Detektoren kombiniert werden, die mit einer sehr hohen Geschwindigkeit arbeiten, um ein optisches Signal in Information umzuwandeln.

Wenn es unmöglich ist, den Verschlüsselungsalgorithmus vorherzusagen oder zu berechnen, sind die Informationen mehr als zuverlässig geschützt. Dieses Gerät nutzt die Tatsache aus, dass der Laser unter bestimmten Bedingungen zufällig Photonen emittiert. Das emittierte Licht eines Lasers ist eine Kombination aus induzierter * und spontaner * Strahlung.

Induzierte Strahlung * - Wenn das System unter dem Einfluss eines induzierenden Photons von einem Zustand in einen anderen übergeht, entsteht ein neues Photon. Übertrieben kann man von absichtlicher Strahlung sprechen.

Spontane Emission * - Spontane Emission elektromagnetischer Wellen durch ein System, das sie angeregt in einen ruhigen Zustand versetzt.

Unten finden Sie ein Diagramm des Geräts und seiner Beschreibung.



Ein Diodenlaser wird zur Erzeugung von Strahlung verwendet. Ein kleiner Teil des Lichts wird zum Polarisationsregler geleitet, wo das Licht in einem Testwellenleiter gesammelt wird, um auf Verluste zu prüfen. Der Rest der Welt wird an den Polarisationsregler gesendet, wo er in die Kaskade der Mach-Zehnder-Interferometer * eingebunden wird .

Mach-Zehnder-Interferometer * - dient zur Modulation der Lichtintensität unabhängig von ihrer Polarisation.

Das erste und das letzte Interferometer spielen die Rolle eines benutzerdefinierten Strahlteilers. Die zentrale wandelt Phasenschwankungen * in Intensitätsschwankungen * um .

Phasenschwankung * ist eine Art linearer Verzerrung, die durch eine Abweichung des Signals von der Trägerfrequenz verursacht wird.

Intensitätsschwankung * - Verzerrungen der von der Welle getragenen Leistung.

Außerhalb der Kaskade befinden sich 2 Fotodioden. Einer von ihnen wird als „Regler“ verwendet, der zur Kalibrierung der Phase von Interferometern erforderlich ist. Dieser Vorgang wird durch Anlegen einer Spannung an die integrierten Phasenschieber * durchgeführt .

Phaser * - ein Gerät in Form eines Geräts mit vier Anschlüssen, bei dem eine konstante vorbestimmte Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung am Eingang und am Ausgang vorgesehen ist.

Die zweite Fotodiode ist mit einem Operationsverstärker mit lateraler Rückkopplung ( OUStOS ) verbunden, der Schwankungen der Lichtintensität in Spannungsschwankungen (Schwankungen) umwandelt. Letztere werden wiederum von einem Oszilloskop digitalisiert, um zufällige Bits zu erzeugen.

Arbeitsgeschwindigkeit

Um die optimale Abtastfrequenz * des Geräts zu ermitteln, wurde die spektrale Dichte * in Gegenwart und Abwesenheit eines optischen Signals gemessen.

Abtastfrequenz * - Bestimmung der Anzahl der Signale pro 1 Zeiteinheit während der Signalabtastung.

Die Spektraldichte * ist ein Merkmal des Emissionsspektrums, das Verhältnis der Intensität in einem engen Frequenzintervall zur Größe des Intervalls selbst.

Die obige Grafik zeigt die Ergebnisse dieser Messungen. Hier sehen Sie ein sehr auffälliges Intervall von dunklem Rauschen * bis zu einer Geschwindigkeit von ca. 500 MHz. Dies hängt direkt mit dem in der Studie verwendeten spezifischen Operationsverstärker und dem Standort der Elektronik zusammen.

Dunkles Rauschen * - statistische Änderungen der Anzahl der Elektronen, die in einem Pixel photonenunabhängig thermisch erzeugt werden. Dunkles Rauschen ist das elektronische Äquivalent von Photonenbruchrauschen * .

Schussrauschen * - Verzerrung von Spannung und Strömen im Stromkreis eines elektrischen und elektronischen Geräts.

Um den Betrieb des Systems zu überprüfen, wurde die Verstärkung des OTSTOS auf 5 kOhm eingestellt, da der Operationsverstärker des Modells LT6268-10 von Linear Technology verwendet wurde. Sein Betrieb ist stabil bei 5 kOhm oder höher.

Messungen zeigten auch, dass Fotodioden mehr als eine Größenordnung schneller sind als OSTOS. Daher werden die spektralen Eigenschaften des analogen Spannungssignals fast vollständig durch die Geschwindigkeit des OTSTOS bestimmt.

Die obige Grafik zeigt auch einige Peaks, hauptsächlich im Bereich von 100 MHz, bei denen es sich um Umgebungsrauschen handelt, das die Erzeugung von Zufallsbits in keiner Weise beeinflusst.

Messungen zeigten, dass die potenzielle Erzeugungsrate etwa 2,8 Gbit / s beträgt. Wenn Sie schnelleres OSTOS verwenden, kann diese Zahl auf bis zu 10 Gbit / s erhöht werden.

Arbeitsstabilität

Der Betrieb eines Systems ist mit gewissen Schwierigkeiten behaftet, genauer gesagt mit Faktoren, die seine Stabilität negativ beeinflussen können. Wenn Sie beispielsweise mit optischen Fasern arbeiten, können geringfügige Temperaturänderungen die Länge der Faser verändern, wodurch Interferenzen gestört werden können.

Die Verwendung integrierter Photonik bietet bestimmte Vorteile: die möglicherweise geringe Größe des Geräts und seine Monolithizität. Durch die Kompaktheit können Sie alle notwendigen Details in einem kleinen Chip kombinieren. Solidität vermeidet jedoch viele Arten von Instabilität. Solche positiven Eigenschaften sind besonders nützlich, wenn mit unsymmetrischen Interferometern gearbeitet wird, wie dies beim beschriebenen Chip der Fall ist.



Diese Grafik zeigt deutlich ein hohes Maß an Systemstabilität für 1 Stunde Dauerbetrieb. Dieses Ergebnis wurde durch einfache Phasenkalibrierung eines unsymmetrischen Interferometers alle 2-3 Minuten erreicht ( rote Linie in der Grafik). Wenn keine Kalibrierung durchgeführt wird, blieb das Signal ( blaue Linie ) mehrere Minuten lang stabil.

Die gelbe Linie in der Grafik stellt das Signal dar, das durch Normalisieren der Verzerrung erhalten wird, wenn sich die Polarisation des Lichts außerhalb des Arbeitsgeräts ändert.

Somit zeigt dieses Gerät nicht nur hervorragende Ergebnisse bei der Erzeugung echter Zufallszahlen, sondern auch einen stabilen Betrieb, der nicht dem Einfluss sowohl externer als auch interner Faktoren ausgesetzt ist.


Das Aussehen des Chips (rechts von der Münze beträgt 1 Penny, dessen Durchmesser nur 20,3 mm beträgt)

Um sich mit den Tests anderer Eigenschaften des Geräts sowie den Methoden zu deren Implementierung vertraut zu machen, empfehle ich, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen.

Nachwort

Manchmal werden Informationen als die wertvollste Währung der Welt bezeichnet. Wenn jemand eine Brieftasche gestohlen hat, ist dies ärgerlich, aber nicht tödlich (in der Regel). Der Diebstahl von Informationen kann zu enormen finanziellen Verlusten und sogar zu Todesfällen führen. Dies kann nicht zugelassen werden, daher stehen Verschlüsselungstechnologien nicht still und entwickeln sich und sammeln neue Entdeckungen in verschiedenen Bereichen der Wissenschaft.

Aber jeder Schutz kann umgangen werden, oder? Vielleicht wird diese Aussage aufgrund dieser oben beschriebenen erstaunlichen Erfindung nicht so eindeutig sein. Durch die Kombination einer unglaublich geringen Größe, einer hohen Generierungsgeschwindigkeit und der absoluten Zufälligkeit des Algorithmus gelang es den Wissenschaftlern, ein Gerät zu entwickeln, das Informationen wirklich vor Versuchen schützen kann, sie illegal in Besitz zu nehmen. Wie schnell wird diese Technologie ihr maximales Potenzial erreichen und in naher Zukunft allgegenwärtig werden? Nur die Zeit und der Test „vor Ort“ werden zeigen, ob dieser Miniaturchip so gut ist, wie seine Macher sagen.

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