In eerdere onderhandelingen die gericht waren op het verkleinen van de arsenalen van 's werelds nucleaire supermachten, voornamelijk de VS en Rusland, een belangrijk knelpunt was het verificatieproces:hoe bewijs je dat echte bommen en nucleaire apparaten - niet alleen replica's - zijn vernietigd, zonder geheimen te onthullen over het ontwerp van die wapens?

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een slimme oplossing bedacht, die in feite dient als een op fysica gebaseerde versie van de cryptografische sleutels die worden gebruikt in computercoderingssystemen. In feite, ze hebben twee totaal verschillende versies van zo'n systeem bedacht, om aan te tonen dat er een verscheidenheid aan opties kan zijn om uit te kiezen als er één nadelen blijkt te hebben. Hun bevindingen worden gerapporteerd in twee papers, een in Natuurcommunicatie en de andere in de Proceedings van de National Academy of Sciences , met MIT-assistent-professor nucleaire wetenschap en techniek Areg Danagoulian als senior auteur van beide.

Vanwege de moeilijkheden om te bewijzen dat een kernkop echt is en echte splijtstof bevat (meestal hoogverrijkt plutonium), eerdere verdragen waren in plaats daarvan gericht op de veel grotere en moeilijker te vervalsen leveringssystemen:intercontinentale ballistische raketten, kruisraketten, en bommenwerpers. Wapenreductieverdragen zoals START, waardoor het aantal bezorgsystemen aan elke kant in de jaren negentig met 80 procent is verminderd, resulteerde in de vernietiging van honderden raketten en vliegtuigen, inclusief 365 enorme B-52-bommenwerpers die in stukken zijn gehakt door een gigantisch guillotine-achtig apparaat in de woestijn van Arizona.

Maar om de gevaren van toekomstige proliferatie af te wenden, bijvoorbeeld, als schurkenstaten of terroristen de controle over kernkoppen zouden krijgen - het verwijderen van de bommen zelf en hun brandstof zou een doel moeten zijn van toekomstige verdragen, zegt Danagoulian. Dus, een manier om dergelijke vernietiging te verifiëren zou een sleutel kunnen zijn om dergelijke overeenkomsten mogelijk te maken. Danagoulian zegt dat zijn team, waaronder afgestudeerde student Jayson Vavrek, postdoc Brian Henderson, en recent afgestudeerd Jake Hecla '17, hebben precies zo'n methode gevonden, in twee verschillende varianten.

"Hoe verifieer je wat er in een zwarte doos zit zonder erin te kijken? Mensen hebben veel verschillende concepten geprobeerd, ", zegt Danagoulian. Maar deze inspanningen hebben meestal hetzelfde probleem:als ze voldoende informatie onthullen om effectief te zijn, ze onthullen te veel om politiek acceptabel te zijn.

Om dat te omzeilen, de nieuwe methode is een fysieke analoog van gegevensversleuteling, waarin gegevens doorgaans worden gemanipuleerd met behulp van een specifieke reeks grote getallen, bekend als de sleutel. De resulterende gegevens worden in wezen omgezet in wartaal, niet te ontcijferen zonder de benodigde sleutel. Echter, het is nog steeds mogelijk om te zien of twee sets gegevens identiek zijn, omdat ze na versleuteling nog steeds identiek zouden zijn, omgezet in precies hetzelfde gebrabbel. Iemand die de gegevens bekijkt, heeft geen kennis van de inhoud ervan, maar kon er nog steeds zeker van zijn dat de twee datasets hetzelfde waren.

Dat is het principe dat Danagoulian en zijn team toepasten, in fysieke vorm, met het kernkopverificatiesysteem - doen het "niet door berekening, maar door de natuurkunde, "zegt hij. "Je kunt elektronica hacken, maar je kunt de natuurkunde niet hacken."

Een kernkop heeft twee essentiële kenmerken:de mix van zware elementen en isotopen waaruit de nucleaire "brandstof" bestaat, " en de afmetingen van de holle bol, een put genoemd, waarin dat kernmateriaal typisch is geconfigureerd. Deze details worden beschouwd als uiterst geheime informatie binnen alle landen die dergelijke wapens bezitten.

Alleen het meten van de straling die wordt uitgezonden door een veronderstelde kernkop is niet genoeg om te bewijzen dat het echt is. zegt Danagoulian. Het kan een nep zijn met wapen-irrelevante materialen die precies dezelfde stralingssignatuur afgeven als een echte bom. Sondes die isotoopgevoelige resonantieprocessen gebruiken, kunnen worden gebruikt om de interne kenmerken van de bom te onderzoeken en zowel de isotopenmix als de vorm te onthullen, zijn realiteit bewijzen, maar dat geeft alle geheimen prijs. Dus Danagoulian en zijn team introduceerden een ander stukje van de puzzel:een fysieke "sleutel" die een mix van dezelfde isotopen bevat, maar in verhoudingen die de inspectieploeg niet kennen en die zo de informatie over het wapen zelf door elkaar halen.

Zie het zo:het is alsof de isotopen worden weergegeven door kleuren, en de sleutel was een filter dat over het doel was geplaatst, met gebieden die elke kleur op het doel in evenwicht brengen met zijn exacte complementaire kleur, net als een fotonegatief, zodat wanneer ze op een rij staan, de kleuren perfect opwegen en alles er gewoon zwart uitziet. Maar als het doelwit zelf een ander kleurpatroon heeft, de mismatch zou overduidelijk zijn - een "nep" doelwit onthullen.

In het geval van het op neutronen gebaseerde concept, het is de mix van de zware isotopen die op elkaar zijn afgestemd, in plaats van kleuren, maar het effect is hetzelfde. Het land dat de bom produceerde, zou het bijpassende "filter, " in dit geval een cryptografisch wederkerig of een cryptografisch folie genoemd. De te verifiëren kernkop, die kan worden verborgen in een zwarte doos om visuele inspectie te voorkomen, is uitgelijnd met de cryptografische wederkerige of een folie. De combinatie ondergaat een meting met behulp van een bundel neutronen, en een detector die de isotoopspecifieke resonantiesignaturen kan registreren. De resulterende neutronengegevens kunnen worden weergegeven als een afbeelding die in wezen leeg lijkt als de kernkop echt is, maar toont details van de kernkop als dat niet het geval is. (In de alternatieve versie, de straal bestaat uit fotonen, het "filter" is een cryptografische folie, en de output is een spectrum in plaats van een afbeelding, maar het essentiële principe is hetzelfde.) Deze tests zijn gebaseerd op de vereisten van een Zero Knowledge Proof - waarbij de eerlijke bewijzer naleving kan aantonen, zonder iets meer te verklappen.

Er is nog een belemmering om vals te spelen ingebouwd in het op neutronen gebaseerde systeem. Omdat de sjabloon een perfecte aanvulling is op de kernkop zelf, proberen een dummy door te geven in plaats van het echte werk zou in feite precies doen wat landen proberen te vermijden:het zou enkele van de geheime details onthullen van de samenstelling en configuratie van de kernkop (net zoals een fotografisch negatief opgesteld met een niet- overeenkomend met positief zou de contouren van de afbeelding onthullen).

Danagoulisch, die opgroeide in Armenië toen het deel uitmaakte van de Sovjet-Unie voordat hij naar de VS emigreerde om te studeren (hij behaalde zijn bachelor aan het MIT in 1999 en zijn doctoraat aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign in 2006), zegt dat hij zich de dagen van de Koude Oorlog nog levendig herinnert toen zowel de USSR als de VS duizenden nucleaire raketten voortdurend in de aanslag hadden, gericht op elkaars steden. Na de val van de Sovjet-Unie, hij zegt, er was nog een enorme hoeveelheid splijtbaar materiaal dat geschikt was voor het maken van bommen in Rusland en zijn voormalige satellieten. Dit materiaal "gemeten in tientallen tonnen - dat zou kunnen worden gebruikt voor het maken van duizenden, zo niet tienduizenden, " van atoombommen, hij zegt. Die herinneringen vormden een sterke motivatie om manieren te vinden om zijn kennis in de natuurkunde te gebruiken om een ​​vermindering van de hoeveelheid dergelijk materiaal en van het aantal kernwapens in de hele wereld mogelijk te maken, hij zegt.

Het team heeft het neutronenconcept geverifieerd door middel van uitgebreide simulaties en hoopt nu te bewijzen dat het werkt door middel van tests van echte splijtstoffen, in samenwerking met een nationaal laboratorium dat dergelijke materialen kan leveren. Het fotonconcept is de focus geweest van een proof of concept-experiment dat is uitgevoerd aan het MIT en wordt beschreven in de PNAS-publicatie.

Als een systeem op een dag wordt aangenomen en helpt om de hoeveelheid kernwapens in de wereld aanzienlijk te verminderen, Danagoulian zegt, "Iedereen zal beter af zijn. Er zal minder van dit wachten, wachtend om gestolen te worden, per ongeluk ergens laten vallen of gesmokkeld. We hopen dat dit een deuk in het probleem zal maken."