Overvindelse af tillidsbarrieren i atomvåbenverifikationsmålinger

Stol på, men bekræft. Slagordet for våbenkontrol populært af præsident Ronald Reagan lyder enkelt. Imidlertid, verifikation, der involverer følsomme data, er en meget kompleks bestræbelse.

Bekræftelse af, at et atomsprænghoved faktisk er et sprænghoved, kan omfatte bekræftelse af nøgleegenskaber. Men handlingen med at bekræfte visse tekniske egenskaber kan afsløre kritisk designinformation - nøje bevogtede nationale hemmeligheder for ethvert land. Bekræftelse af disse attributter vil sandsynligvis kræve at overvinde forhindringen med at beskytte følsomme designdata.

Sandia National Laboratories fysiker Peter Marleau har udviklet en ny metode til at verificere sprænghovedets egenskaber. Kaldet CONFIDANTE, til bekræftelse ved hjælp af en hurtig-neutron-billeddetektor med anti-billede nul-positiv tidskodning, metoden kunne hjælpe med at løse problemet med at udføre verifikationsmålinger og samtidig beskytte følsomme designoplysninger. CONFIDANTE giver mellemvej for sprænghovedets ejer, eller vært, der ønsker at beskytte følsomme oplysninger, og monitoren, som muligvis søger at verificere, at følsomme oplysninger for at bekræfte, at den inspicerede genstand er et sprænghoved.

"CONFIDANTE er en implementering af et nul-vidensbevis (ZKP) som en måde at demonstrere gyldigheden af ​​en påstand uden at give yderligere information ud over selve påstanden, " forklarede Marleau. "I modsætning til andre ZKP-bekræftelsesmetoder, som er afhængige af et måleinstrument, der er forudindlæst med følsomme oplysninger, CONFIDANTE gør det muligt for den overvågende part at udføre målingen i realtid uden at få adgang til følsomme designdata."

Overvinde tillidsbarrieren med ZKP

For omkring tre år siden, Department of Energy's Princeton Plasma Physics Laboratory og Princeton University udviklede et ZKP-objekt-sammenligningssystem til potentielt at understøtte bekræftelse af sprænghoved og samtidig beskytte følsomme designdata. I matematisk kryptografi, ZKP opnås ved at udfordre en vært til at løse et problem, der kun er muligt, hvis værten er i besiddelse af de oplysninger, der autentificeres. Efter gentagne udfordringer, værten kan bevise, at den besidder disse oplysninger uden at afsløre nogen detaljer om selve informationen.

I Princeton-gruppens ZKP-implementering, bekræftelse af, at et påstået sprænghoved har et sprænghoveds egenskaber, demonstreres gennem neutrontransmission og emissionstællinger målt af en række strålingsdetektorer. For at beskytte følsomme designdata under måleprocessen, Princeton-metoden forbereder strålingsdetektorerne med en skabelon i stedet for direkte at sammenligne i realtid billederne af et sprænghoved, der verificeres med et betroet sprænghoved.

Skabelonen er komplementet til den måling, der forventes fra et rigtigt sprænghoved. Hvis de to matcher, de ophæver hinanden og efterlader kun statistisk støj, giver ingen yderligere information. "Skabelonerne" bliver effektivt ødelagt af målingen, så monitoren ikke har mulighed for at vedligeholde de data, som en måling sammenlignes med.

"Men for at beskytte de følsomme designdata, skabelonen, processen med at forudindlæse det, og selve detektoren, vil være udelukket for overvågningsparten, sagde Marleau. Alt dette, inklusive selve målingen skal udføres af værten. Når den monitorerende part mister kontrollen over så meget af måleprocessen, det bliver svært at stole på dets ægthed."

Monitor-styret, autentificering i realtid

Marleau, hans kollega Patricia Schuster, en postdoc ved University of Michigan, og Rebecca Krentz-Wee, et University of California, Berkeley, atomingeniør kandidatstuderende, satte sig for at løse dette problem. "Vi spurgte os selv, er der en metode, der bevarer den pæne egenskab ved et positivt match, der kun er angivet af statistisk støj, mens det tillader en monitorerende part at have kontrol over detektoren under hele måleprocessen?" sagde Marleau.

De udforskede forskellige koncepter, der kunne give mere praktiske og verificerbare ZKP-implementeringer. En lovende løsning er tidskodet billedbehandling (TEI), en metode Sandia har udviklet i løbet af de sidste fem år med finansiering fra National Nuclear Security Administration's Defense Nuclear Nonproliferation Research and Development-program, baseret på tidligere forskning finansieret af Laboratory Directed Research and Development-programmet.

TEI er en ny tilgang til indirekte detektion og lokalisering af specielle nukleare materialer, som er afhængig af indkodning af retningsinformation i den tidsafhængige modulering af hurtige neutrondetekteringshastigheder. Sandia udviklede TEI for at overvinde den præcise kalibrering og høje omkostninger ved typisk detektion, som bruger arrays af detektorer.

TEI bruger en enkelt detektor i en cylindrisk kodet maske. Når masken roterer, stråling fra objektet moduleres af et mønster af åbninger og maskeelementer på cylinderen. Ved hjælp af TEI, en enkelt detektor kan udføre arbejdet med flere detektorer ved at skabe et helt todimensionalt billede af objektet.

"Vi indså, at hvis vi designede masken sådan, at mønsteret på den ene halvdel af cylinderen er det omvendte af den anden halvdel, et objekt på den ene side af systemet vil projicere det omvendte billede af et objekt på den modsatte side af systemet til enhver tid, hvis og kun hvis de to objekter er identiske. Billedet og anti-billedet vil effektivt ophæve hinanden, og detektoren vil vise en konstant umoduleret hastighed, " sagde Marleau. "Og vi kan gøre det uden nogensinde at registrere potentielt følsomme oplysninger."

Fordi ingen anden information end statistisk støj er lagret eller registreret i detektoren - i modsætning til en skabelontilgang - kan værtsparten i teorien attestere, at ingen følsomme oplysninger er i fare. Monitoren kan derefter have fuld adgang til dataene i realtid, potentielt selv udfører målingen. Ved at bruge denne metode, to objekter kan bekræftes som identiske. For desuden at bevise, at de er sprænghoveder, begge forhandlingsparter ville være nødt til at blive enige om et autentisk sprænghoved – et "gyldent" sprænghoved, der skal sammenlignes med ethvert andet målt objekt. Denne autenticitet overføres derefter til alle objekter, der er blevet eller nogensinde vil blive målt.

Ekstra beskyttelseslag

En mulig fejl er, at hvis de to objekter ikke er justeret perfekt, målingen kunne afsløre rumlig information. "En lille fejljustering kunne afsløre konturer, " sagde Marleau.

Til verifikationsmålingen, overvågningsparten behøver kun at bekræfte, at detektoren måler en konstant hastighed i overensstemmelse med statistisk støj.

"Du kan definere specifikke målinger, der kan opdateres i realtid og kan fortælle overvågningspartneren, om dataene stemmer overens med tællestatistikker, " sagde Marleau.

Destillering af data til et enkelt tal er også irreversibelt - hvilket betyder, at der ikke er nogen måde at omvendt konstruere dataene for at lære designkarakteristika for sprænghovedet, der verificeres, selvom der skete noget, såsom utilsigtet fejljustering, som gav et falsk negativt resultat.

Første proof-of-concept

Udenrigsministeriet, Bureau of Arms Control Verification and Compliance (AVC) gennem Key Verification Assets Fund finansierede Sandia til at udføre en proof-of-concept-måling. CONFIDANTE blev testet på Lawrence Livermore National Laboratory med identiske plutoniumdioxid-halvkugler. "Vi vidste, at disse to objekter var identiske under testen, " sagde Marleau. "CONFIDANTE bekræftede dette med umoduleret tællestatistikker. Vi lavede også en vellykket negativ test, der viste, at to forskellige objekter ikke ophævede hinanden."

Denne test demonstrerede gennemførlighed, så nu planlægger Sandia-teamet at forbedre CONFIDANTE med en mere kompakt gamma-ray-version af billedkameraet. Marleau håber også at udføre endnu en gennemførlighedstest på Pantex-fabrikken, en Department of Energy facilitet til montering og demontering af atomvåben.

"Det er afgørende, at vi fortsætter med at udvikle og operationelt evaluere CONFIDANTE og andre sprænghovedgodkendelsesmetoder, " sagde Marleau. "Disse værktøjer skal være klar til at gå, før der er en øvelse eller en traktat ved at blive forhandlet. På det tidspunkt, der er lidt tid til forskning og udvikling. Jeg tror på, at CONFIDANTE har potentialet til at åbne nye muligheder inden for traktatverifikation. Med tekniske løsninger på plads, parter kan være mere villige til at deltage i forhandlinger."