Gerador de número aleatório de fótons: a criptografia mais confiável?

A informação é um dos recursos mais valiosos do nosso tempo. As informações são úteis? A questão é retórica. Claro que sim. Mas cair nas mãos erradas, pode causar danos. É por isso que vários métodos, técnicas e algoritmos de criptografia de dados são usados. Afinal, ao comprar algo na rede, você não deseja que suas informações de cobrança cheguem a um ponto errado. No entanto, nem todos os algoritmos são igualmente bons. A proteção de dados e os hackers (por simplicidade, chamaremos todos os ladrões de dados dessa maneira) sempre trabalham à frente um do outro. Com o advento de um novo método de criptografia, novos métodos para contorná-lo também aparecem. Mas e se houver um algoritmo que não possa ser quebrado? Isso é ajudado por geradores de números aleatórios quânticos. Pesquisadores da Universidade de Bristol (Reino Unido) desenvolveram um novo dispositivo de criptografia - um chip de 1 mm ² , que usa fótons para gerar números. Outra característica distintiva do novo produto é sua velocidade - mais de 1 Gbit / s. Que dificuldades você teve que superar, quais são as vantagens desse dispositivo específico em comparação com outros e qual a segurança dos nossos dados? Procuraremos respostas para essas e outras perguntas no relatório dos pesquisadores. Vamos lá

O princípio de operação do dispositivo

A base do novo dispositivo são os princípios da fotônica de silício, que são exagerados e podem ser descritos da seguinte forma: o fluxo de sinais elétricos passa pelo transmissor, onde são convertidos em sinais ópticos; então os sinais entram no receptor, onde são convertidos novamente em sinais elétricos.

Esquematicamente, fica assim:



Usando essa tecnologia, tornou-se possível integrar guias de onda ao silício, que direcionará a luz (sinal óptico) através do chip, e não haverá perda de luz ao longo do caminho. Como resultado, esses guias de ondas podem ser combinados com detectores internos que operam a uma velocidade muito alta para converter um sinal óptico em informação.

Se for impossível prever ou calcular o algoritmo de criptografia, as informações serão protegidas com mais confiabilidade. Este dispositivo explora o fato de que, sob certas condições, o laser emitirá fótons aleatoriamente. A luz emitida por qualquer laser é uma combinação de radiação induzida * e espontânea * .

Radiação induzida * - sob a influência de um fóton indutor, quando o sistema passa de um estado para outro, um novo fóton surge. Exagerado, pode ser chamado de radiação intencional.

Emissão espontânea * - emissão espontânea de ondas eletromagnéticas por um sistema que as transfere excitadas para um estado calmo.

Abaixo está um diagrama do dispositivo e sua descrição.



Um laser de diodo é usado para gerar radiação. Uma pequena parte da luz é direcionada para o controlador de polarização, onde a luz é coletada em um guia de ondas de teste para verificar se há perdas. E o resto do mundo é enviado para o controlador de polarização, onde está conectado na cascata dos interferômetros Mach-Zehnder * .

O interferômetro Mach-Zehnder * - é usado para modular a intensidade da luz, independentemente de sua polarização.

O primeiro e o último interferômetro desempenham o papel de um divisor de feixe personalizado. A central transforma flutuações de fase * em flutuações de intensidade * .

Flutuação de fase * é um tipo de distorção linear causada por um desvio do sinal da frequência da portadora.

Flutuação de intensidade * - distorções na potência transportada pela onda.

Além disso, fora da cascata, existem 2 fotodiodos. Um deles é usado como um "regulador" necessário para calibrar a fase dos interferômetros. Esse processo é realizado aplicando tensão nos deslocadores de fase integrados * .

Phaser * - um dispositivo na forma de um dispositivo de quatro terminais, no qual é fornecida uma mudança de fase constante predeterminada entre a tensão alternada na entrada e na saída.

O segundo fotodiodo é conectado a um amplificador operacional com realimentação lateral ( OUStOS ), que converte flutuações na intensidade da luz em flutuações de tensão (flutuações). Estes, por sua vez, são digitalizados por um osciloscópio para gerar bits aleatórios.

Velocidade de trabalho

Para estabelecer a freqüência de amostragem ideal * do dispositivo, a densidade espectral * foi medida * na presença de um sinal óptico e na sua ausência.

Frequência de amostragem * - determinação do número de sinais por 1 unidade de tempo durante a amostragem de sinais.

A densidade espectral * é uma característica do espectro de emissão, a razão de intensidade em um intervalo de frequência estreito para o tamanho do próprio intervalo.

O gráfico acima mostra os resultados dessas medições. Aqui você pode ver um intervalo muito perceptível de ruído escuro * até uma velocidade de cerca de 500 MHz. Isso está diretamente relacionado ao amplificador operacional específico usado no estudo e à localização da eletrônica.

Ruído escuro * - alterações estatísticas no número de elétrons gerados termicamente dentro de um pixel de maneira independente do fóton. Ruído escuro é o equivalente eletrônico do ruído fracionário de fótons * .

Ruído de tiro * - distorção de tensão e correntes no circuito de um dispositivo elétrico e eletrônico.

Para verificar o funcionamento do sistema, o ganho do OTSTOS foi fixado em 5 kOhm, uma vez que foi utilizado o amplificador operacional do modelo LT6268-10 da Linear Technology. Sua operação é estável a 5 kOhm ou superior.

Além disso, as medições mostraram que os fotodiodos são mais do que uma ordem de magnitude mais rápidos que o OSTOS. Portanto, as propriedades espectrais do sinal de tensão analógica são quase completamente determinadas pela velocidade do OTSTOS.

O gráfico acima também mostra alguns picos, principalmente na região de 100 MHz, que são ruídos ambientais que não afetam de maneira alguma a geração de bits aleatórios.

As medições mostraram que a taxa de geração potencial é de cerca de 2,8 Gbit / s. Se você usar OSTOS mais rápidos, esse valor poderá ser aumentado em até 10 Gb / s.

Estabilidade no trabalho

A operação de qualquer sistema está repleta de certas dificuldades e, mais precisamente, de fatores que podem afetar negativamente sua estabilidade. Por exemplo, ao trabalhar com fibras ópticas, quaisquer pequenas alterações de temperatura podem alterar o comprimento da fibra, o que pode interromper a interferência.

O uso de fotônicos integrados oferece algumas vantagens: o tamanho potencialmente pequeno do dispositivo e sua monoliticidade. A compacidade permite combinar todos os detalhes necessários em um pequeno chip. Mas a solidez evita muitos tipos de instabilidade. Tais propriedades positivas são especialmente úteis quando se trabalha com interferômetros desbalanceados, como é o caso do chip descrito.



Este gráfico demonstra claramente um alto nível de estabilidade do sistema por 1 hora de operação contínua. Esse resultado foi alcançado pela calibração de fase simples de um interferômetro desbalanceado a cada 2-3 minutos ( linha vermelha no gráfico). Se a calibração não for realizada, o sinal ( linha azul ) permanecerá estável por vários minutos.

A linha amarela no gráfico representa o sinal obtido pela normalização da distorção, dadas as mudanças na polarização da luz fora do dispositivo de trabalho.

Assim, este dispositivo não apenas mostra excelentes resultados de geração de números aleatórios verdadeiros, mas também operação estável, não passível de influência de fatores externos e internos.


A aparência do chip (à direita da moeda é de 1 centavo, cujo diâmetro é de apenas 20,3 mm)

Para se familiarizar com os testes de outras características do dispositivo, bem como os métodos para sua implementação, recomendo a leitura do relatório dos cientistas.

Epílogo

Às vezes, a informação é chamada de moeda mais valiosa do mundo. Se alguém roubou uma carteira, é irritante, mas não fatal (como regra). O roubo de informações pode levar a enormes perdas financeiras e até a mortes. Isso não pode ser permitido, portanto, as tecnologias de criptografia não param e se desenvolvem, acumulando novas descobertas em vários campos da ciência.

Mas qualquer proteção pode ser contornada, certo? Talvez devido a esta incrível invenção descrita acima, essa afirmação não seja tão inequívoca. Combinando um tamanho incrivelmente pequeno, alta velocidade de geração e a aleatoriedade absoluta do algoritmo, os cientistas conseguiram criar um dispositivo que é realmente capaz de proteger as informações de qualquer tentativa de tomar posse ilegalmente deles. Em quanto tempo essa tecnologia alcançará seu potencial máximo e se tornará onipresente no futuro próximo. Somente o tempo e o teste "em campo" mostrarão se esse chip em miniatura é tão bom quanto dizem seus criadores.

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