For reduktion af atomvåben, en måde at verificere uden at afsløre

I tidligere forhandlinger, der havde til formål at reducere verdens nukleare supermagters arsenaler, primært USA og Rusland, et stort problem har været verifikationsprocessen:Hvordan beviser man, at rigtige bomber og nukleare anordninger – ikke kun replikaer – er blevet ødelagt, uden at afsløre tætte hemmeligheder om designet af disse våben?

Nu, forskere ved MIT har fundet en smart løsning, som i realiteten fungerer som en fysikbaseret version af de kryptografiske nøgler, der bruges i computerkrypteringssystemer. Faktisk, de er kommet med to helt forskellige versioner af sådan et system, for at vise, at der kan være en række muligheder at vælge imellem, hvis nogen viser sig at have ulemper. Deres resultater er rapporteret i to papirer, en ind Naturkommunikation og den anden i Proceedings of the National Academy of Sciences , med MIT assisterende professor i nuklear videnskab og teknik Areg Danagoulian som seniorforfatter af begge.

På grund af vanskelighederne med at bevise, at et nukleart sprænghoved er ægte og indeholder egentligt nukleart brændsel (typisk højt beriget plutonium), tidligere traktater har i stedet fokuseret på de meget større og sværere at forfalske leveringssystemer:interkontinentale ballistiske missiler, krydsermissiler, og bombefly. Våbenreduktionstraktater som START, hvilket reducerede antallet af leveringssystemer på hver side med 80 procent i 1990'erne, resulterede i ødelæggelsen af ​​hundredvis af missiler og fly, inklusive 365 enorme B-52 bombefly hugget i stykker af en kæmpe guillotinelignende enhed i Arizonas ørken.

Men for at afværge farerne for fremtidig spredning – f.eks. hvis slyngelstater eller terrorister fik kontrol over nukleare sprænghoveder – faktisk bortskaffelse af selve bomberne og deres brændstof burde være et mål for fremtidige traktater, siger Danagoulian. Så, en måde at verificere en sådan ødelæggelse på kunne være en nøgle til at gøre sådanne aftaler mulige. Danagoulian siger, at hans hold, som omfattede kandidatstuderende Jayson Vavrek, postdoc Brian Henderson, og nyuddannet Jake Hecla '17, har fundet netop sådan en metode, i to forskellige varianter.

"Hvordan verificerer man, hvad der er i en sort boks uden at kigge ind? Folk har prøvet mange forskellige koncepter, " siger Danagoulian. Men disse bestræbelser har en tendens til at lide under det samme problem:Hvis de afslører nok information til at være effektive, de afslører for meget til at være politisk acceptable.

For at komme uden om det, den nye metode er en fysisk analog af datakryptering, hvor data typisk manipuleres ved hjælp af et bestemt sæt af store tal, kendt som nøglen. De resulterende data er i det væsentlige gengivet til volapyk, ubeskrivelig uden den nødvendige nøgle. Imidlertid, det er stadig muligt at se, om to sæt data er identiske eller ej, fordi de efter kryptering stadig ville være identiske, forvandlet til nøjagtig samme volapyk. En person, der ser dataene, ville ikke have kendskab til deres indhold, men kunne stadig være sikker på, at de to datasæt var de samme.

Det er princippet Danagoulian og hans team anvendte, i fysisk form, med sprænghovedverifikationssystemet - gør det "ikke gennem beregning, men gennem fysik, " siger han. "Du kan hacke elektronik, men du kan ikke hacke fysik."

Et atomsprænghoved har to væsentlige egenskaber:blandingen af ​​tunge elementer og isotoper, der udgør dets atombrændstof, "og dimensionerne af den hule kugle, kaldet en pit, hvori det nukleare materiale typisk er konfigureret. Disse detaljer betragtes som tophemmelige oplysninger i alle de nationer, der besidder sådanne våben.

Bare måling af strålingen udsendt af et formodet sprænghoved er ikke nok til at bevise, at det er ægte, siger Danagoulian. Det kan være en falsk, der indeholder våben-irrelevante materialer, som afgiver nøjagtig den samme strålingssignatur som en rigtig bombe. Prober, der anvender isotopfølsomme resonansprocesser, kan bruges til at sondere bombens indre karakteristika og afsløre både isotopblandingen og formen, bevise sin virkelighed, men det afslører alle hemmelighederne. Så Danagoulian og hans team introducerede endnu en brik til puslespillet:en fysisk "nøgle" indeholdende en blanding af de samme isotoper, men i forhold, der er ukendte for inspektionsmandskabet, og som dermed forvrænger oplysningerne om selve våbnet.

Tænk på det på denne måde:Det er som om isotoperne var repræsenteret af farver, og nøglen var et filter placeret over målet, med områder, der balancerer hver farve på målet med dens nøjagtige komplementære farve, ligesom et fotografisk negativ, så når de er opstillet, ophæver farverne perfekt, og alt ser bare sort ud. Men hvis målet selv har et andet farvemønster, misforholdet ville være åbenlyst - afsløre et "falsk" mål.

I tilfælde af det neutronbaserede koncept, det er blandingen af ​​de tunge isotoper, der matches, frem for farver, men effekten er den samme. Landet, der producerede bomben, ville producere det matchende "filter, " i dette tilfælde kaldet en kryptografisk gensidig eller en kryptografisk folie. Sprænghovedet, der skal verificeres, som kan skjules i en sort boks for at forhindre enhver visuel inspektion, er linet op med den kryptografiske gensidige eller en folie. Kombinationen gennemgår en måling ved hjælp af en stråle af neutroner, og en detektor, som kan registrere de isotopspecifikke resonanssignaturer. De resulterende neutrondata kan gengives som et billede, der i det væsentlige virker tomt, hvis sprænghovedet er ægte, men viser detaljer om sprænghovedet, hvis det ikke er det. (I den alternative version, strålen består af fotoner, "filteret" er en kryptografisk folie, og outputtet er et spektrum snarere end et billede, men det væsentlige princip er det samme.) Disse test er baseret på kravene i et Zero Knowledge Proof - hvor den ærlige beviser kan påvise overholdelse, uden at afsløre mere.

Der er en yderligere hindring for snyd indbygget i det neutronbaserede system. Fordi skabelonen er et perfekt supplement til selve sprænghovedet, at forsøge at afgive en attrap i stedet for den ægte vare ville faktisk gøre det samme, som nationer forsøger at undgå:det ville afsløre nogle af de hemmelige detaljer om sprænghovedets sammensætning og konfiguration (ligesom et fotografisk negativ opstillet med et ikke- matchende positiv ville afsløre konturerne af billedet).

Danagoulian, som voksede op i Armenien, da det var en del af Sovjetunionen, før han emigrerede til USA for at studere (han tog sin bachelor ved MIT i 1999 og sin PhD ved University of Illinois i Urbana-Champaign i 2006), siger, at han tydeligt husker koldkrigstiden, hvor både U.S.S.R og USA havde tusindvis af nukleare missiler konstant klar, rettet mod hinandens byer. Efter Sovjetunionens fald, han siger, der var en enorm mængde fissilt materiale egnet til bombefremstilling tilbage i Rusland og dets tidligere satellitter. Dette materiale "målt i snesevis af tons - som kunne bruges til at lave tusindvis, hvis ikke titusinder, "af atombomber, han siger. Disse minder gav en stærk motivation til at finde måder at bruge sin viden inden for fysik til at lette en reduktion i mængden af ​​sådant materiale og i antallet af atomvåben, der står klar over hele verden, han siger.

Holdet har verificeret neutronkonceptet gennem omfattende simuleringer og håber nu at bevise, at det virker gennem test af faktiske fissile materialer, i samarbejde med et nationalt laboratorium, der kan levere sådanne materialer. Fotonkonceptet har været i fokus for et proof of concept-eksperiment udført på MIT og er beskrevet i PNAS-publikationen.

Hvis et system en dag bliver vedtaget og hjælper med at opnå betydelige reduktioner i mængden af ​​atomvåben i verden, Danagoulian siger, "alle vil have det bedre. Der vil være mindre af dette, der venter, venter på at blive stjålet, ved et uheld tabt eller smuglet et sted hen. Vi håber, det vil gøre et indhug i problemet."