Uso de la física cuántica para asegurar dispositivos inalámbricos

Desde tarjetas de acceso y llaveros hasta parlantes Bluetooth, la comunicación segura entre dispositivos inalámbricos es fundamental para mantener la privacidad y evitar robos. Desafortunadamente, estas herramientas no son infalibles, y la información sobre cómo piratear, clonar y eludir estos sistemas es cada vez más fácil de encontrar.

Es por eso que los ingenieros informáticos de la Universidad de Illinois en Chicago investigaron formas de crear dispositivos más seguros. En un nuevo artículo, los científicos de la UIC informan sobre un método de inspiración cuántica para mejorar la identificación de dispositivos inalámbricos y proteger la comunicación de dispositivo a dispositivo. Utiliza una huella digital verdaderamente aleatoria y única para crear un sistema de cifrado de hardware prácticamente irrompible.

Los científicos, dirigidos por Pai-Yen Chen, utilizaron una teoría de la física cuántica en experimentos basados ​​en matemáticas para identificar un “punto excepcional divergente”.

La física cuántica describe sistemas para los cuales la medición precisa es difícil o imposible; un estado cuántico describe un espacio de parámetros o un rango de medidas posibles. Dentro de estos estados, existen puntos excepcionales donde la incertidumbre del sistema es máxima. Estos puntos son prometedores para la criptografía: cuanto más incierto es el sistema, más seguro es.

Chen y sus colegas desarrollaron un enfoque matemático para identificar estos puntos excepcionales en un sistema de identificación por radiofrecuencia, la tecnología utilizada por tarjetas de acceso, llaveros y otros dispositivos que desbloquean sensores cercanos o se comunican con ellos. En los sistemas RFID tradicionales, las claves cifradas se almacenan en chips de memoria, que tienen un tamaño limitado y son vulnerables a los ataques.

El grupo de Chen ha creado nuevos dispositivos de bloqueo y etiquetado RFID que utilizan el algoritmo de punto excepcional para crear una señal segura. Dado que cada pieza de hardware es ligeramente diferente debido a pequeñas variaciones durante el proceso de fabricación, cada dispositivo RFID produce su propia huella digital única a la luz de la incertidumbre maximizada hasta el punto excepcional.

Al igual que la voz de cada individuo, que se escucha a través de ondas de sonido analógicas, su estructura criptográfica clave hace que la señal de cada dispositivo sea única, dijo Chen.

Después de miles de simulaciones, no pudieron encontrar dos huellas dactilares idénticas, pasando las pruebas y ataques aleatorios del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología basados ​​​​en el aprendizaje automático.

“Muchos científicos pensaron que la teoría de los puntos excepcionales sería imposible de aplicar de manera confiable en el mundo real, pero pudimos aprovechar esa propiedad para implementar un nuevo sistema”, dijo Chen, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica e Informática. en la UIC. Colegio de Ingenieria. “En este documento, hemos propuesto un nuevo circuito con un punto sobresaliente divergente para mejorar significativamente la singularidad, la aleatoriedad y la robustez de una función electromagnética físicamente imposible de clonar”.

“Esta estructura PUF analógica ligera y robusta puede dar lugar a una variedad de aplicaciones de seguridad y antifalsificación imprevistas en la toma de huellas dactilares por radiofrecuencia y las comunicaciones inalámbricas”, escriben los autores.

Chen dijo que la tecnología también es económica y muy versátil, por lo que podría ser particularmente útil para productos, como tarjetas de acceso y dispositivos de comunicación de campo cercano, que se producen en masa y son más vulnerables a los ataques.

“Acabamos de utilizar el proceso de fabricación de placas de circuito estándar, adecuado para la producción en masa de bajo costo. La mejora de la seguridad radica en el diseño cuidadoso del circuito de radiofrecuencia para operar alrededor del punto excepcional, lo que hemos demostrado con un sistema de identificación inalámbrico”, dijo Chen.

“Sensibilidad espectral cerca de puntos excepcionales como recurso para el cifrado de hardwarese publica en Nature Communications. Los coautores del estudio incluyen a Minye Yang y Liang Zhu de UIC, y Qi Zhong y R. El-Ganainy de la Universidad Tecnológica de Michigan. La investigación fue apoyada, en parte, por subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS1914420) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA95502110202).