In alto, un diagramma mostra la configurazione che potrebbe essere utilizzata per verificare che una testata nucleare sia reale. A sinistra, il componente chiave di un'arma nucleare, chiamato fossa, che consiste in una sfera cava di plutonio, è allineato con un secondo componente appositamente realizzato, chiamato il reciproco, che ha le caratteristiche opposte. Quando i due vengono osservati usando un fascio di neutroni, l'immagine risultante (in basso a sinistra) è distintiva ma non rivela dettagli delle dimensioni e della composizione della fossa. Però, se al posto della fossa viene sostituito un oggetto dall'aspetto esteriore simile con una forma o composizione diversa, si traduce in un'immagine nettamente diversa, rendendo facile dire che è un falso. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Nei passati negoziati volti a ridurre gli arsenali delle superpotenze nucleari mondiali, principalmente gli Stati Uniti e la Russia, un importante punto critico è stato il processo di verifica:come si dimostra che bombe e dispositivi nucleari reali, non solo repliche, sono stati distrutti, senza rivelare segreti strettamente custoditi sulla progettazione di quelle armi?
Ora, i ricercatori del MIT hanno trovato una soluzione intelligente, che in effetti funge da versione basata sulla fisica delle chiavi crittografiche utilizzate nei sistemi di crittografia dei computer. Infatti, hanno escogitato due versioni completamente diverse di un tale sistema, per mostrare che ci può essere una varietà di opzioni tra cui scegliere se si riscontrano degli svantaggi. I loro risultati sono riportati in due articoli, uno in Comunicazioni sulla natura e l'altro in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , con l'assistente professore del MIT di scienza e ingegneria nucleare Areg Danagoulian come autore senior di entrambi.
A causa delle difficoltà nel dimostrare che una testata nucleare è reale e contiene un vero combustibile nucleare (tipicamente plutonio altamente arricchito), i trattati passati si sono invece concentrati sui sistemi di lancio molto più grandi e più difficili da falsificare:missili balistici intercontinentali, missili da crociera, e bombardieri. Trattati di riduzione delle armi come START, che ha ridotto il numero di sistemi di consegna su ciascun lato dell'80% negli anni '90, ha provocato la distruzione di centinaia di missili e aerei, inclusi 365 enormi bombardieri B-52 fatti a pezzi da un gigantesco dispositivo simile a una ghigliottina nel deserto dell'Arizona.
Ma per scongiurare i pericoli di una futura proliferazione, ad esempio, se nazioni canaglia o terroristi acquisissero il controllo delle testate nucleari, l'effettiva eliminazione delle bombe stesse e del loro carburante dovrebbe essere un obiettivo dei trattati futuri, dice Danagoulian. Così, un modo per verificare tale distruzione potrebbe essere una chiave per rendere possibili tali accordi. Danagoulian dice che la sua squadra, che includeva lo studente laureato Jayson Vavrek, postdoc Brian Henderson, e il neolaureato Jake Hecla '17, hanno trovato proprio un tale metodo, in due diverse varianti.
"Come si fa a verificare cosa c'è in una scatola nera senza guardarsi dentro? Le persone hanno provato molti concetti diversi, " dice Danagoulian. Ma questi sforzi tendono a soffrire dello stesso problema:se rivelano informazioni sufficienti per essere efficaci, rivelano troppo per essere politicamente accettabili.
Per aggirare questo, il nuovo metodo è un analogo fisico della crittografia dei dati, in cui i dati vengono in genere manipolati utilizzando un insieme specifico di grandi numeri, conosciuta come la chiave. I dati risultanti sono essenzialmente resi incomprensibili, indecifrabile senza la chiave necessaria. Però, è ancora possibile dire se due insiemi di dati sono identici o meno, perché dopo la crittografia sarebbero ancora identici, trasformato esattamente nella stessa sciocchezza. Qualcuno che visualizza i dati non sarebbe a conoscenza del loro contenuto, ma poteva ancora essere certo che i due set di dati fossero gli stessi.
Questo è il principio applicato da Danagoulian e dal suo team, in forma fisica, con il sistema di verifica della testata, facendolo "non attraverso il calcolo, ma attraverso la fisica, " dice. "Puoi hackerare l'elettronica, ma non puoi hackerare la fisica."
Una testata nucleare ha due caratteristiche essenziali:la miscela di elementi pesanti e isotopi che costituisce il suo "combustibile" nucleare, " e le dimensioni della sfera cava, chiamato fossa, in cui quel materiale nucleare è tipicamente configurato. Questi dettagli sono considerati informazioni top secret all'interno di tutte le nazioni che possiedono tali armi.
La semplice misurazione della radiazione emessa da una presunta testata non è sufficiente per dimostrare che sia reale, dice Danagoulian. Potrebbe essere un falso contenente materiali irrilevanti per le armi che emettono esattamente la stessa traccia di radiazioni di una vera bomba. Le sonde che utilizzano processi risonanti sensibili agli isotopi possono essere utilizzate per sondare le caratteristiche interne della bomba e rivelare sia la miscela di isotopi che la forma, dimostrando la sua realtà, ma questo svela tutti i segreti. Così Danagoulian e il suo team hanno introdotto un altro pezzo del puzzle:una "chiave" fisica contenente un mix degli stessi isotopi, ma in proporzioni sconosciute all'equipaggio di ispezione e che quindi confondono le informazioni sull'arma stessa.
Pensala in questo modo:è come se gli isotopi fossero rappresentati da colori, e la chiave era un filtro posizionato sopra il bersaglio, con aree che bilanciano ogni colore sul bersaglio con il suo esatto colore complementare, proprio come un negativo fotografico, in modo che una volta allineati i colori si annullino perfettamente e tutto sembri semplicemente nero. Ma se il bersaglio stesso ha un modello di colore diverso, la mancata corrispondenza sarebbe palesemente ovvia, rivelando un obiettivo "falso".
Nel caso del concetto basato sui neutroni, è il mix degli isotopi pesanti che è abbinato, piuttosto che i colori, ma l'effetto è lo stesso. Il paese che ha prodotto la bomba produrrebbe il corrispondente "filtro, " in questo caso chiamato reciproco crittografico o foglio crittografico. La testata da verificare, che può essere nascosto all'interno di una scatola nera per evitare qualsiasi ispezione visiva, è allineato con il reciproco crittografico o una lamina. La combinazione viene misurata utilizzando un fascio di neutroni, e un rivelatore in grado di registrare le firme risonanti specifiche dell'isotopo. I dati sui neutroni risultanti possono essere resi come un'immagine che appare essenzialmente vuota se la testata è reale, ma mostra i dettagli della testata se non lo è. (Nella versione alternativa, il raggio è costituito da fotoni, il "filtro" è un foglio crittografico, e l'output è uno spettro piuttosto che un'immagine, ma il principio essenziale è lo stesso.) Questi test si basano sui requisiti di una Zero Knowledge Proof - in cui il prover onesto può dimostrare la conformità, senza svelare altro.
C'è un ulteriore disincentivo all'inganno incorporato nel sistema basato sui neutroni. Poiché il modello è un complemento perfetto della testata stessa, cercare di far passare per un manichino invece che per la cosa reale farebbe proprio quello che le nazioni stanno cercando di evitare:rivelerebbe alcuni dei dettagli segreti della composizione e della configurazione della testata (proprio come un negativo fotografico allineato con un non- la corrispondenza positiva rivelerebbe i contorni dell'immagine).
Danagouliano, che è cresciuto in Armenia quando faceva parte dell'Unione Sovietica prima di emigrare negli Stati Uniti per il college (ha conseguito la laurea al MIT nel 1999 e il dottorato di ricerca presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign nel 2006), dice di ricordare vividamente i giorni della Guerra Fredda, quando sia l'URSS che gli Stati Uniti avevano migliaia di missili nucleari perennemente pronti, mirati alle città degli altri. Dopo la caduta dell'Unione Sovietica, lui dice, c'era un'enorme quantità di materiale fissile adatto alla fabbricazione di bombe rimasta in Russia e nei suoi ex satelliti. Questo materiale "misurato in decine di tonnellate - che potrebbe essere utilizzato per fare migliaia, se non decine di migliaia, "di bombe nucleari, lui dice. Quei ricordi hanno fornito una forte motivazione per trovare modi di usare le sue conoscenze in fisica per facilitare una riduzione della quantità di tale materiale e del numero di armi nucleari pronte in tutto il mondo, lui dice.
Il team ha verificato il concetto di neutrone attraverso ampie simulazioni e ora spera di dimostrare che funziona attraverso test di materiali fissili reali, in collaborazione con un laboratorio nazionale in grado di fornire tali materiali. Il concetto di fotone è stato al centro di un esperimento di proof of concept condotto al MIT ed è descritto nella pubblicazione PNAS.
Se un giorno un sistema verrà adottato e contribuirà a ridurre significativamente la quantità di armi nucleari nel mondo, Danagoulian dice, "Staranno tutti meglio. Ci sarà meno di tutto questo ad aspettare, in attesa di essere rubato, accidentalmente lasciato cadere o contrabbandato da qualche parte. Speriamo che questo intacchi il problema".
