Biometria kwantowa wykorzystuje zdolność ludzkiego oka do wykrywania pojedynczych fotonów

Jeśli chodzi o bezpieczeństwo, świat kwantowy oferuje niezrównane bogactwa. Na przykład kryptografia kwantowa obiecuje absolutną tajemnicę gwarantowaną przez prawa fizyki.

Dlatego rządy, organizacje wojskowe i inne pospieszyły z opracowaniem i przyjęciem tej technologii. Ważnym pytaniem jest to, jak daleko może jeszcze zajść bezpieczeństwo kwantowe.

Dziś otrzymujemy pewnego rodzaju odpowiedź dzięki pracy Michaila Loulakisa z Narodowego Uniwersytetu Technicznego w Atenach w Grecji i kilku kumplom, którzy opracowali, jak wykorzystać mechanikę kwantową do bezpiecznej identyfikacji osób.

Mówią, że biometria kwantowa sprawia, że ​​identyfikacja jest dokładniejsza i trudniejsza do udaremnienia złośliwemu użytkownikowi. Co więcej, zespół wykorzystuje prawa fizyki, aby dokładnie określić ilościowo, jak dobra może być biometria kwantowa.

Nowa technika opiera się na dobrze znanej zdolności ludzkiego oka do wykrywania pojedynczych fotonów. Nasza maszyneria do wykrywania światła opiera się na cząsteczkach rodopsyny w komórkach pręcików siatkówki do wykrywania pojedynczych fotonów, a następnie na złożonym mechanizmie fototransdukcji, który wysyła ten sygnał do mózgu.

Eksperymenty z lat czterdziestych pokazują, że ludzie mogą zdać sobie sprawę z błysku światła zawierającego zaledwie garść fotonów. Ten proces wykrywania fotonów jest mechanizmem kwantowym i rządzi się prawami fizyki kwantowej. Jednak rzeczywiste prawdopodobieństwo wykrycia błysku zależy również od otoczenia w oku.

To środowisko determinuje liczbę fotonów docierających do siatkówki i drogę, którą obierają. Tak ważnymi czynnikami są straty optyczne związane z przechodzeniem światła przez rogówkę, komorę przednią, źrenicę, soczewkę i ciało szkliste.

Prawdopodobieństwo wykrycia zależy również od tego, jak światło jest pochłaniane w określonym miejscu siatkówki, co jest różne w całej siatkówce.

Pomiar prawdopodobieństwa wykrycia jest prosty. Eksperymenty polegają na wielokrotnym wysyłaniu błysku światła do oka i liczeniu, jak często podmiot staje się tego świadomy.

Łącząc wszystkie czynniki środowiskowe w jeden parametr zwany alfa, fizycy mogą następnie obliczyć prawdopodobieństwo wykrycia.

Biometria kwantowa stawia tę metodę na głowie. Proces ten rozpoczyna się od założenia pewnego prawdopodobieństwa wykrycia błysku, a następnie wykorzystania tych samych eksperymentów do pomiaru alfa. W szczególności Loulakis i spółka proponują pomiar zmian alfa w całym polu widzenia.

Sposób, w jaki zmiany alfa – mapa alfa – zależy od unikalnego układu nerwów, naczyń krwionośnych i wrażliwych na światło komórek w oku, dlatego powinien być unikalny dla wszystkich osób. To sprawia, że ​​mapa alfa jest dobrym podpisem biometrycznym (który oczywiście musi być utrzymywany w tajemnicy).

Gdy mapa zostanie zmierzona, zadaniem jest użycie jej do identyfikacji osoby. W tym miejscu prawa fizyki kwantowej przydają się tak bardzo, ponieważ wyznaczają dobrze zdefiniowane granice tego, jak dobrze podsłuchujący może udaremnić system.

Proces identyfikacji jest wtedy prosty. Loulakis i wsp. proponują, aby do oka trafiać losowy wzór błysków, ale w każdym błysku zmieniać intensywność światła. Ten wzorzec jest starannie zaprojektowany, aby wykorzystać mapę alfa, tak aby został wykryty jako rozpoznawalny wzorzec przez osobę z określoną mapą alfa, ale wydaje się przypadkowy dla kogokolwiek innego.

Złośliwy podsłuchiwacz, Ewa, nie może łatwo udaremnić tego systemu. Jednym ze sposobów jest odgadnięcie przez Ewę wartości alfa i odpowiednią reakcję. Ale szanse na sukces można zmniejszyć, zwiększając liczbę punktów, w których mierzy się alfa.

Innym sposobem jest, aby Ewa próbowała zmierzyć alfa w oku badanego. Ale Loulakis i spółka twierdzą, że wymagałoby to technik pomiarowych, które wykraczają daleko poza obecny stan wiedzy.

Ważnym pytaniem jest to, ile pomiarów jest potrzebnych do prawidłowej identyfikacji osoby. Zależy to od tego, jak dokładna musi być identyfikacja, i istnieją dwa sposoby, w jakie może się nie udać. Pierwszy to fałszywie pozytywny – fałszywie identyfikujący Ewę jako podmiot. Drugi to fałszywy negatyw — błędna identyfikacja tematu.

Prawdopodobieństwo fałszywie pozytywnej i fałszywie negatywnej identyfikacji tej techniki biometrycznej może z łatwością zbliżyć się odpowiednio do [1 na 1 miliard] i [1 na dziesięć tysięcy], powiedzmy Loulakis i spółka.

Loulakis i spółka twierdzą, że powinno być możliwe zidentyfikowanie osoby z takim poziomem dokładności za pomocą zaledwie sześciu przesłuchań. Zespół twierdzi, że praktycznie sześć przesłuchań można przeprowadzić w czasie krótszym niż jedna minuta testu.

To interesująca praca, która przedstawia metodę biometrii kwantowej. Zespół przemilcza jednak szereg potencjalnych problemów. Jednym z ważnych pytań jest przede wszystkim to, jak dokładnie zmierzyć czyjąś mapę alfa. Nie ma na to jasnej odpowiedzi.

Innym problemem jest to, jak alfa zmienia się w czasie. Wzrok każdego człowieka pogarsza się wraz z wiekiem, co sugeruje, że mapa alfa miałaby niepewną datę ważności.

Istnieje również możliwość, że alfa może się zmieniać w znacznie krótszych skalach czasowych. Większość ludzi doświadcza zmian w widzeniu z takimi czynnikami jak przeziębienie i grypa, spożycie alkoholu, a nawet męty przechodzące przez pole widzenia. Jeśli mapy alfa mają kiedykolwiek zostać uznane za wykonalny podpis biometryczny, będą potrzebne znaczne prace, aby scharakteryzować ich użyteczność.

Niemniej jednak pojęcie biometrii kwantowej podkreśla rosnące zainteresowanie zrozumieniem roli procesów kwantowych w biologii. Oczywiście jest wiele do nauczenia się.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1704.04367 : Biometria kwantowa z liczeniem fotonów w siatkówce

ukryć