Photon random number generator: enkripsi paling andal?

Informasi adalah salah satu sumber daya paling berharga di zaman kita. Apakah informasinya bermanfaat? Pertanyaannya retoris. Tentu saja ya Tapi jatuh ke tangan yang salah, itu bisa membahayakan. Itulah mengapa berbagai metode, teknik, dan algoritma enkripsi data digunakan. Lagi pula, membeli sesuatu di jaringan, Anda tidak ingin informasi penagihan Anda sampai ke penjahat. Namun, tidak semua algoritma sama baiknya. Perlindungan data dan peretas (untuk kemudahan kami akan memanggil semua pencuri data seperti itu) selalu bekerja di depan satu sama lain. Dengan munculnya metode enkripsi baru, metode baru untuk mengelak juga muncul. Tetapi bagaimana jika ada algoritma yang tidak bisa di-crack? Ini dibantu oleh generator nomor acak kuantum. Para peneliti dari University of Bristol (UK) telah mengembangkan perangkat enkripsi baru - chip 1 mm ² , yang menggunakan foton untuk menghasilkan angka. Fitur lain yang membedakan dari produk baru ini adalah kecepatannya - lebih dari 1 Gbit / dtk. Kesulitan apa yang harus Anda atasi, apa kelebihan perangkat khusus ini dibandingkan dengan yang lain, dan seberapa aman data kami dengan itu? Kami akan mencari jawaban untuk ini dan pertanyaan lain dalam laporan para peneliti. Ayo pergi.

Prinsip pengoperasian perangkat

Dasar dari perangkat baru adalah prinsip-prinsip silikon fotonik, yang berlebihan dapat digambarkan sebagai berikut: aliran sinyal listrik melewati pemancar, di mana mereka dikonversi menjadi sinyal optik; kemudian sinyal masuk ke penerima, di mana ia diubah kembali menjadi yang listrik.

Secara skematis, tampilannya seperti ini:



Menggunakan teknologi ini, menjadi mungkin untuk mengintegrasikan pandu gelombang ke silikon, yang akan mengarahkan cahaya (sinyal optik) melalui chip, dan tidak akan ada kehilangan cahaya di sepanjang jalan. Akibatnya, pandu gelombang tersebut dapat dikombinasikan dengan detektor internal yang beroperasi pada kecepatan yang sangat tinggi untuk mengubah sinyal optik menjadi informasi.

Jika tidak mungkin untuk memprediksi atau menghitung algoritma enkripsi, maka informasi tersebut dilindungi lebih dari andal. Perangkat ini memanfaatkan fakta bahwa dalam kondisi tertentu laser akan memancarkan foton secara acak. Cahaya yang dipancarkan laser apa pun adalah kombinasi radiasi yang diinduksi * dan spontan * .

Radiasi terinduksi * - di bawah pengaruh foton penginduksi, ketika sistem berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain, foton baru muncul. Berlebihan itu bisa disebut radiasi disengaja.

Emisi spontan * - emisi spontan dari gelombang elektromagnetik oleh sistem yang memindahkan mereka ke keadaan tenang.

Di bawah ini adalah diagram perangkat dan deskripsinya.



Laser dioda digunakan untuk menghasilkan radiasi. Sebagian kecil cahaya diarahkan ke pengontrol polarisasi, tempat cahaya dikumpulkan dalam pandu gelombang uji untuk memeriksa kerugian. Dan seluruh dunia dikirim ke pengontrol polarisasi, di mana ia dihubungkan dalam kaskade interferometer Mach-Zehnder * .

Interferometer Mach-Zehnder * - digunakan untuk memodulasi intensitas cahaya terlepas dari polarisasinya.

Interferometer pertama dan terakhir memainkan peran pemecah berkas khusus. Yang utama mengubah fluktuasi fase * menjadi fluktuasi intensitas * .

Fluktuasi fasa * adalah jenis distorsi linier yang disebabkan oleh penyimpangan sinyal dari frekuensi pembawa.

Fluktuasi intensitas * - distorsi pada daya yang dibawa oleh gelombang.

Selanjutnya, di luar kaskade, ada 2 fotodioda. Salah satunya digunakan sebagai "regulator" yang diperlukan untuk mengkalibrasi fase interferometer. Proses ini dilakukan dengan menerapkan tegangan ke pemindah fase terintegrasi * .

Phaser * - perangkat dalam bentuk perangkat empat terminal, di mana fase konstan yang telah ditentukan sebelumnya bergeser antara tegangan bolak-balik pada input dan output.

Fotodioda kedua terhubung ke penguat operasional dengan umpan balik lateral ( OUStOS ), yang mengubah fluktuasi intensitas cahaya menjadi fluktuasi tegangan (fluktuasi). Yang terakhir, pada gilirannya, didigitalkan oleh osiloskop untuk menghasilkan bit acak.

Kecepatan kerja

Untuk menetapkan frekuensi pengambilan sampel yang optimal * dari perangkat, kepadatan spektral * diukur * di hadapan sinyal optik dan jika tidak ada.

Frekuensi pengambilan sampel * - penentuan jumlah sinyal per 1 unit waktu selama pengambilan sampel sinyal.

Densitas spektral * adalah karakteristik dari spektrum emisi, rasio intensitas dalam interval frekuensi sempit dengan ukuran interval itu sendiri.

Grafik di atas menunjukkan hasil pengukuran ini. Di sini Anda dapat melihat interval noise gelap * yang sangat mencolok * hingga kecepatan sekitar 500 MHz. Ini secara langsung terkait dengan penguat operasional spesifik yang digunakan dalam penelitian ini, dan ke lokasi elektronik.

Derau gelap * - perubahan statistik dalam jumlah elektron yang dihasilkan secara termal di dalam piksel dengan cara yang bebas foton. Derau gelap adalah ekuivalen elektronik dari derau fraksi foton * .

Bunyi tembakan * - distorsi tegangan dan arus di sirkuit perangkat listrik dan elektronik.

Untuk memeriksa pengoperasian sistem, penguatan OTSTOS ditetapkan pada 5 kOhm, karena penguat operasional model LT6268-10 dari Linear Technology digunakan. Operasinya stabil pada 5 kOhm atau lebih tinggi.

Juga, pengukuran menunjukkan bahwa fotodioda lebih dari urutan besarnya lebih cepat daripada OSTOS. Oleh karena itu, sifat spektral dari sinyal tegangan analog hampir sepenuhnya ditentukan oleh kecepatan OTSTOS.

Grafik di atas juga menunjukkan beberapa puncak, terutama di wilayah 100 MHz, yang merupakan kebisingan lingkungan yang tidak mempengaruhi pembuatan bit acak.

Pengukuran menunjukkan bahwa laju pembangkitan potensial adalah sekitar 2,8 Gbit / dtk. Jika Anda menggunakan OSTOS lebih cepat, maka angka ini dapat ditingkatkan hingga 10 Gb / s.

Stabilitas kerja

Pengoperasian sistem apa pun penuh dengan kesulitan tertentu, dan lebih tepatnya dengan faktor-faktor yang dapat secara negatif mempengaruhi stabilitasnya. Misalnya, ketika bekerja dengan serat optik, setiap perubahan suhu sedikit dapat mengubah panjang serat, yang dapat mengganggu interferensi.

Menggunakan fotonik terintegrasi memberikan keuntungan tertentu: ukuran perangkat yang berpotensi kecil dan monolititasnya. Kekompakan memungkinkan Anda untuk menggabungkan semua detail yang diperlukan dalam satu chip kecil. Tetapi soliditas menghindari banyak jenis ketidakstabilan. Sifat positif seperti itu sangat berguna ketika bekerja dengan interferometer tidak seimbang, seperti halnya dengan chip yang dijelaskan.



Grafik ini dengan jelas menunjukkan tingkat stabilitas sistem yang tinggi selama 1 jam operasi berkelanjutan. Hasil ini dicapai dengan kalibrasi fase sederhana dari interferometer tidak seimbang setiap 2-3 menit ( garis merah pada grafik). Jika kalibrasi tidak dilakukan, sinyal ( garis biru ) tetap stabil selama beberapa menit.

Garis kuning pada grafik mewakili sinyal yang diperoleh dengan menormalkan distorsi, mengingat perubahan polarisasi cahaya di luar perangkat yang bekerja.

Dengan demikian, perangkat ini tidak hanya menunjukkan hasil yang sangat baik untuk menghasilkan angka acak yang benar, tetapi juga operasi yang stabil, tidak dapat menerima pengaruh faktor eksternal dan internal.


Tampilan chip (di sebelah kanan koin adalah 1 sen, diameternya hanya 20,3 mm)

Untuk berkenalan dengan pengujian karakteristik perangkat lainnya, serta metode penerapannya, saya sarankan membaca laporan para ilmuwan.

Epilog

Terkadang informasi disebut mata uang paling berharga di dunia. Jika seseorang mencuri dompet, itu menjengkelkan, tetapi tidak fatal (sebagai aturan). Pencurian informasi dapat menyebabkan kerugian finansial yang sangat besar, dan bahkan hingga kematian. Ini tidak dapat dibolehkan, oleh karena itu teknologi enkripsi tidak tinggal diam dan berkembang, mengumpulkan penemuan baru di berbagai bidang ilmu pengetahuan.

Tapi perlindungan apa pun bisa dielakkan, bukan? Mungkin karena penemuan luar biasa yang dijelaskan di atas, pernyataan ini tidak akan begitu ambigu. Menggabungkan ukuran yang sangat kecil, kecepatan pembangkitan tinggi, dan keacakan algoritma yang absolut, para ilmuwan berhasil menciptakan perangkat yang benar-benar mampu melindungi informasi dari segala upaya untuk mengambilnya secara ilegal. Seberapa cepat teknologi ini akan mencapai potensi maksimalnya dan menjadi mana-mana dalam waktu dekat. Hanya waktu dan tes "di lapangan" yang akan menunjukkan apakah chip mini ini sebagus yang dikatakan penciptanya.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?