Générateur de nombres aléatoires de photons: le cryptage le plus fiable?

L'information est l'une des ressources les plus précieuses de notre temps. Les informations sont-elles utiles? La question est rhétorique. Bien sûr que oui. Mais tomber entre de mauvaises mains, cela peut faire du mal. C'est pourquoi diverses méthodes, techniques et algorithmes de chiffrement des données sont utilisés. Après tout, en achetant quelque chose sur le réseau, vous ne voulez pas que vos informations de facturation parviennent à un escroc. Cependant, tous les algorithmes ne sont pas également bons. La protection des données et les pirates (pour plus de simplicité, nous appellerons tous les voleurs de données de cette façon) fonctionnent toujours les uns devant les autres. Avec l'avènement d'une nouvelle méthode de cryptage, de nouvelles méthodes pour le contourner apparaissent également. Mais que se passe-t-il s'il existe un algorithme qui ne peut pas être craqué? Ceci est aidé par des générateurs de nombres aléatoires quantiques. Des chercheurs de l'Université de Bristol (Royaume-Uni) ont développé un nouveau dispositif de cryptage - une puce de 1 mm ² , qui utilise des photons pour générer des nombres. Une autre caractéristique distinctive du nouveau produit est sa vitesse - plus de 1 Gbit / s. Quelles difficultés avez-vous dû surmonter, quels sont les avantages de cet appareil en particulier par rapport aux autres et dans quelle mesure nos données seront-elles sécurisées? Nous chercherons des réponses à ces questions et à d'autres dans le rapport des chercheurs. Allons-y.

Le principe de fonctionnement de l'appareil

La base du nouveau dispositif est les principes de la photonique sur silicium, qui est exagérée peut être décrite comme suit: le flux de signaux électriques traverse l'émetteur, où ils sont convertis en signaux optiques; puis les signaux entrent dans le récepteur, où ils sont reconvertis en signaux électriques.

Schématiquement, cela ressemble à ceci:



Grâce à cette technologie, il est devenu possible d'intégrer des guides d'ondes dans le silicium, qui dirigera la lumière (signal optique) à travers la puce, et il n'y aura aucune perte de lumière en cours de route. En conséquence, ces guides d'ondes peuvent être combinés avec des détecteurs intégrés fonctionnant à une vitesse très élevée pour convertir un signal optique en informations.

S'il est impossible de prévoir ou de calculer l'algorithme de chiffrement, les informations sont protégées de manière plus fiable. Cet appareil exploite le fait que dans certaines conditions, le laser émettra des photons de manière aléatoire. La lumière émise par n'importe quel laser est une combinaison de rayonnement induit * et spontané * .

Rayonnement induit * - sous l'influence d'un photon inducteur, lorsque le système passe d'un état à un autre, un nouveau photon apparaît. Exagéré, il peut être appelé rayonnement intentionnel.

Emission spontanée * - émission spontanée d'ondes électromagnétiques par un système qui les transfère excitées à un état calme.

Voici un schéma de l'appareil et sa description.



Un laser à diode est utilisé pour générer un rayonnement. Une petite partie de la lumière est dirigée vers le contrôleur de polarisation, où la lumière est collectée dans un guide d'onde de test pour vérifier les pertes. Et le reste du monde est envoyé au contrôleur de polarisation, où il est interfacé dans la cascade des interféromètres Mach-Zehnder * .

Interféromètre Mach-Zehnder * - est utilisé pour moduler l'intensité de la lumière quelle que soit sa polarisation.

Le premier et le dernier interféromètre jouent le rôle d'un séparateur de faisceau personnalisé. La centrale transforme les fluctuations de phase * en fluctuations d'intensité * .

La fluctuation de phase * est un type de distorsion linéaire causée par une déviation du signal de la fréquence porteuse.

Fluctuation d'intensité * - distorsions de la puissance portée par l'onde.

De plus, en dehors de la cascade, il y a 2 photodiodes. L'un d'eux sert de «régulateur» nécessaire à l'étalonnage de la phase des interféromètres. Ce processus est effectué en appliquant une tension aux déphaseurs intégrés * .

Phaser * - un dispositif sous la forme d'un dispositif à quatre bornes, dans lequel un déphasage prédéterminé constant entre la tension alternative à l'entrée et à la sortie est fourni.

La deuxième photodiode est connectée à un amplificateur opérationnel à rétroaction latérale ( OUStOS ), qui convertit les fluctuations d'intensité lumineuse en fluctuations de tension (fluctuations). Ces derniers, à leur tour, sont numérisés par un oscilloscope pour générer des bits aléatoires.

Vitesse de travail

Afin d'établir la fréquence d'échantillonnage optimale * du dispositif, la densité spectrale * a été mesurée * en présence d'un signal optique et en son absence.

Fréquence d'échantillonnage * - détermination du nombre de signaux par 1 unité de temps pendant l'échantillonnage des signaux.

La densité spectrale * est une caractéristique du spectre d'émission, le rapport de l'intensité dans un intervalle de fréquence étroit à la taille de l'intervalle lui-même.

Le graphique ci-dessus montre les résultats de ces mesures. Ici, vous pouvez voir un intervalle très sensible de bruit noir * jusqu'à une vitesse d'environ 500 MHz. Ceci est directement lié à l'amplificateur opérationnel spécifique utilisé dans l'étude et à l'emplacement de l'électronique.

Bruit noir * - changements statistiques du nombre d'électrons générés thermiquement à l'intérieur d'un pixel de manière indépendante des photons. Le bruit noir est l'équivalent électronique du bruit fractionnel de photons * .

Bruit de grenaille * - distorsion de la tension et des courants dans le circuit d'un appareil électrique et électronique.

Pour vérifier le fonctionnement du système, le gain de l'OTSTOS a été fixé à 5 kOhm, puisque l'amplificateur opérationnel du modèle LT6268-10 de Linear Technology a été utilisé. Son fonctionnement est stable à 5 kOhm ou plus.

De plus, les mesures ont montré que les photodiodes sont plus d'un ordre de grandeur plus rapides que OSTOS. Par conséquent, les propriétés spectrales du signal de tension analogique sont presque entièrement déterminées par la vitesse de l'OTSTOS.

Le graphique ci-dessus montre également quelques pics, principalement de l'ordre de 100 MHz, qui sont des bruits environnementaux qui n'affectent en rien la génération de bits aléatoires.

Les mesures ont montré que le taux de génération potentiel est d'environ 2,8 Gbit / s. Si vous utilisez un OSTOS plus rapide, ce chiffre peut être augmenté jusqu'à 10 Gb / s.

Stabilité au travail

Le fonctionnement de tout système se heurte à certaines difficultés, et plus précisément à des facteurs qui peuvent nuire à sa stabilité. Par exemple, lorsque vous travaillez avec des fibres optiques, de légers changements de température peuvent modifier la longueur de la fibre, ce qui peut perturber les interférences.

L'utilisation de la photonique intégrée offre certains avantages: la taille potentiellement petite de l'appareil et sa monolithicité. La compacité vous permet de combiner tous les détails nécessaires dans une petite puce. Mais la solidité évite de nombreux types d'instabilité. De telles propriétés positives sont particulièrement utiles lorsque vous travaillez avec des interféromètres non équilibrés, comme c'est le cas avec la puce décrite.



Ce graphique montre clairement un haut niveau de stabilité du système pendant 1 heure de fonctionnement continu. Ce résultat a été obtenu par un simple étalonnage de phase d'un interféromètre non équilibré toutes les 2-3 minutes ( ligne rouge sur le graphique). Si l'étalonnage n'est pas effectué, le signal ( ligne bleue ) est resté stable pendant plusieurs minutes.

La ligne jaune sur le graphique représente le signal obtenu en normalisant la distorsion, compte tenu des changements de polarisation de la lumière à l'extérieur du dispositif de travail.

Ainsi, ce dispositif montre non seulement d'excellents résultats de génération de vrais nombres aléatoires, mais également un fonctionnement stable, ne se prêtant pas à l'influence de facteurs externes et internes.


L'apparence de la puce (à droite de la pièce est de 1 penny, dont le diamètre n'est que de 20,3 mm)

Pour se familiariser avec les tests d'autres caractéristiques de l'appareil, ainsi que les méthodes de leur mise en œuvre, je recommande de lire le rapport des scientifiques.

Épilogue

Parfois, l'information est appelée la monnaie la plus précieuse au monde. Si quelqu'un a volé un portefeuille, c'est ennuyeux, mais pas fatal (en règle générale). Le vol d'informations peut entraîner d'énormes pertes financières, voire des décès. Cela ne peut pas être autorisé, donc les technologies de cryptage ne s'arrêtent pas et se développent, accumulant de nouvelles découvertes dans divers domaines scientifiques.

Mais toute protection peut être contournée, non? Peut-être en raison de cette invention étonnante décrite ci-dessus, cette déclaration ne sera pas aussi sans ambiguïté. En combinant une taille incroyablement petite, une vitesse de génération élevée et le caractère aléatoire absolu de l'algorithme, les scientifiques ont réussi à créer un appareil qui est vraiment capable de protéger les informations de toute tentative de les prendre illégalement. La rapidité avec laquelle cette technologie atteindra son potentiel maximal et deviendra omniprésente dans un avenir proche. Seul le temps et le test «sur le terrain» montreront si cette puce miniature est aussi bonne que ses créateurs le disent.

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