Fidarsi ma verificare. Lo slogan per il controllo degli armamenti reso popolare dal presidente Ronald Reagan sembra semplice. Però, la verifica che coinvolge dati sensibili è un'impresa molto complessa.

Verificare che una testata nucleare sia effettivamente una testata può includere la conferma di attributi chiave. Ma l'atto di confermare determinati attributi tecnici potrebbe rivelare informazioni di progettazione critiche, segreti nazionali gelosamente custoditi per qualsiasi paese. La conferma di questi attributi richiederà probabilmente il superamento dell'ostacolo della protezione dei dati di progettazione sensibili.

Il fisico dei Sandia National Laboratories Peter Marleau ha sviluppato un nuovo metodo per verificare gli attributi della testata. Chiamato CONFIDANTE, per la conferma utilizzando un rilevatore di immagini a neutroni veloci con codifica temporale null-positiva anti-immagine, il metodo potrebbe aiutare ad affrontare il problema di condurre misurazioni di verifica proteggendo contemporaneamente le informazioni di progettazione sensibili. CONFIDANTE fornisce una via di mezzo per il proprietario della testata, o ospite, chi vuole proteggere le informazioni sensibili, e il monitor, che potrebbe cercare di verificare che le informazioni sensibili per confermare che l'oggetto ispezionato sia una testata.

"CONFIDANTE è un'implementazione di una prova a conoscenza zero (ZKP) come un modo per dimostrare la validità di un reclamo senza fornire ulteriori informazioni oltre al reclamo stesso, " ha spiegato Marleau. "A differenza di altri metodi di conferma ZKP, che si basano su uno strumento di misura precaricato con informazioni sensibili, CONFIDANTE consente alla parte di monitoraggio di condurre la misurazione in tempo reale senza accedere a dati di progetto sensibili."

Superare la barriera della fiducia con ZKP

Circa tre anni fa, il Princeton Plasma Physics Laboratory del Dipartimento dell'Energia e l'Università di Princeton hanno sviluppato un sistema di confronto di oggetti ZKP per supportare potenzialmente la conferma della testata, proteggendo al contempo i dati di progettazione sensibili. Nella crittografia matematica, ZKP si ottiene sfidando un host a risolvere un problema che è possibile solo se l'host possiede le informazioni da autenticare. Dopo ripetute sfide, l'host può dimostrare di possedere tali informazioni senza rivelare alcun dettaglio sulle informazioni stesse.

Nell'implementazione ZKP del gruppo di Princeton, la conferma che una presunta testata abbia le caratteristiche di una testata è dimostrata attraverso la trasmissione di neutroni e il conteggio delle emissioni misurato da una serie di rilevatori di radiazioni. Per proteggere i dati di progettazione sensibili durante il processo di misurazione, il metodo Princeton prepara i rivelatori di radiazioni con un modello piuttosto che confrontare direttamente in tempo reale le immagini di una testata verificata con una testata fidata.

Il modello è il complemento della misura prevista da una vera testata. Se i due coincidono, si annullano a vicenda lasciando solo rumore statistico, non fornendo ulteriori informazioni. I "modelli" vengono effettivamente distrutti dalla misurazione, quindi il monitor non ha la possibilità di mantenere i dati con cui viene confrontata una misurazione.

"Ma per proteggere i dati sensibili di progettazione, Il template, il processo di pre-caricamento, e il rivelatore stesso, sarà off limits per la parte di monitoraggio, " disse Marleau. "Tutto questo, compresa la misurazione effettiva deve essere condotta dall'host. Quando la parte di monitoraggio perde il controllo di gran parte del processo di misurazione, diventa difficile fidarsi della sua autenticità."

Controllato da monitor, autenticazione in tempo reale

Marleau, la sua collega Patricia Schuster, un borsista post-dottorato dell'Università del Michigan, e Rebecca Krentz-Wee, un'università della California, Berkeley, studente laureato in ingegneria nucleare, deciso a risolvere questo problema. "Ci siamo chiesti, esiste un metodo che mantenga la bella proprietà di una corrispondenza positiva indicata solo dal rumore statistico, consentendo al contempo a una parte di monitoraggio di avere il controllo del rilevatore durante l'intero processo di misurazione?", ha affermato Marleau.

Hanno esplorato diversi concetti che potrebbero fornire implementazioni ZKP più pratiche e verificabili. Una soluzione promettente è l'imaging codificato nel tempo (TEI), un metodo che Sandia ha sviluppato negli ultimi cinque anni con il finanziamento del programma di ricerca e sviluppo per la difesa e la non proliferazione nucleare della National Nuclear Security Administration, sulla base di ricerche precedenti finanziate dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio.

TEI è un nuovo approccio per il rilevamento e la localizzazione indiretti di materiali nucleari speciali, che si basa sulla codifica delle informazioni direzionali nella modulazione dipendente dal tempo dei tassi di rilevamento dei neutroni veloci. Sandia ha sviluppato TEI per superare la calibrazione precisa e l'alto costo del rilevamento tipico, che utilizza array di rivelatori.

TEI utilizza un singolo rilevatore all'interno di una maschera codificata cilindrica. Mentre la maschera ruota, la radiazione dell'oggetto è modulata da un pattern di aperture ed elementi maschera sul cilindro. Utilizzando TEI, un singolo rilevatore può svolgere il lavoro di più rilevatori nel creare un'intera immagine bidimensionale dell'oggetto.

"Ci siamo resi conto che se abbiamo progettato la maschera in modo che il motivo su una metà del cilindro sia l'inverso dell'altra metà, un oggetto su un lato del sistema proietterà sempre l'immagine inversa di un oggetto sul lato opposto del sistema se e solo se i due oggetti sono identici. L'immagine e l'anti-immagine si annulleranno a vicenda e il rilevatore mostrerà una frequenza non modulata costante, " ha detto Marleau. "E possiamo farlo senza mai registrare informazioni potenzialmente sensibili".

Poiché nessuna informazione diversa dal rumore statistico viene memorizzata o registrata nel rilevatore, a differenza di un approccio basato su modello, la parte ospitante in teoria può certificare che nessuna informazione sensibile è a rischio. Il monitor può quindi avere pieno accesso ai dati in tempo reale, potenzialmente anche effettuando la misurazione stessa. Usando questo metodo, due oggetti possono essere confermati identici. Per dimostrare inoltre che si tratta di testate, entrambe le parti negoziali avrebbero bisogno di concordare una testata autentica, una testata "dorata" da confrontare con qualsiasi altro oggetto misurato. Questa autenticità si trasferisce quindi a tutti gli oggetti che sono stati o saranno mai misurati.

Strato extra di protezione

Un possibile problema tecnico è che se i due oggetti non sono allineati perfettamente, la misurazione potrebbe rivelare informazioni spaziali. "Un leggero disallineamento potrebbe rivelare contorni, " disse Marleau.

Per la misura di verifica, la parte di monitoraggio deve solo confermare che il rilevatore sta misurando una velocità costante coerente con il rumore statistico.

"Puoi definire metriche specifiche che possono essere aggiornate in tempo reale e puoi dire alla parte di monitoraggio se i dati sono coerenti con le statistiche di conteggio, " disse Marleau.

Anche la distillazione dei dati in un unico numero è irreversibile, il che significa che non c'è modo di decodificare i dati per apprendere le caratteristiche di progettazione della testata da verificare anche se è successo qualcosa, come il disallineamento accidentale, che ha prodotto un risultato falso negativo.

Prima prova di concetto

Il Dipartimento di Stato, Il Bureau of Arms Control Verification and Compliance (AVC) attraverso il Key Verification Assets Fund ha finanziato Sandia per eseguire una misurazione proof-of-concept. CONFIDANTE è stato testato presso il Lawrence Livermore National Laboratory utilizzando identici emisferi di biossido di plutonio. "Sapevamo che questi due oggetti erano identici durante il test, " ha detto Marleau. "CONFIDANTE ha confermato questo con statistiche di conteggio non modulate. Abbiamo anche eseguito con successo un test negativo che mostra che due oggetti diversi non si annullano a vicenda".

Questo test ha dimostrato la fattibilità, quindi ora il team di Sandia prevede di migliorare CONFIDANTE con una versione a raggi gamma più compatta dell'imager. Marleau spera anche di eseguire un altro test di fattibilità presso lo stabilimento Pantex, una struttura del Dipartimento dell'Energia per l'assemblaggio e lo smontaggio di armi nucleari.

"È fondamentale continuare a sviluppare e valutare operativamente CONFIDANTE e altri metodi di autenticazione delle testate, " ha detto Marleau. "Questi strumenti devono essere pronti prima che ci sia un esercizio o un trattato in fase di negoziazione. A quel punto, c'è poco tempo per la ricerca e lo sviluppo. Credo che CONFIDANTE abbia il potenziale per aprire nuove possibilità nella verifica dei trattati. Con soluzioni tecniche in atto, le parti potrebbero essere più disposte a impegnarsi nei negoziati".