Överst, ett diagram visar konfigurationen som kan användas för att verifiera att en kärnstridsspets är verklig. Till vänster, nyckelkomponenten i ett kärnvapen, kallas gropen, som består av en ihålig sfär av plutonium, är uppradad med en specialtillverkad andra komponent, kallas det ömsesidiga, som har motsatta egenskaper. När de två observeras med hjälp av en stråle av neutroner, den resulterande bilden (nedre till vänster) är distinkt men avslöjar inga detaljer om gropens dimensioner och sammansättning. Dock, om ett utåt sett liknande föremål med en annan form eller sammansättning ersätts med gropen, det resulterar i en helt annan bild, gör det lätt att se att det är en bluff. Upphovsman:Massachusetts Institute of Technology
I tidigare förhandlingar som syftade till att minska arsenalerna hos världens kärnkraftssupermakter, främst USA och Ryssland, en stor problematik har varit verifieringsprocessen:Hur bevisar man att riktiga bomber och kärntekniska anordningar – inte bara repliker – har förstörts, utan att avslöja nära bevarade hemligheter om utformningen av dessa vapen?
Nu, forskare vid MIT har kommit med en smart lösning, som i själva verket fungerar som en fysikbaserad version av de kryptografiska nycklar som används i datorkrypteringssystem. Faktiskt, de har kommit med två helt olika versioner av ett sådant system, för att visa att det kan finnas en mängd olika alternativ att välja mellan om någon visar sig ha nackdelar. Deras resultat rapporteras i två tidningar, en i Naturkommunikation och den andra i Proceedings of the National Academy of Sciences , med MIT biträdande professor i kärnvetenskap och teknik Areg Danagoulian som senior författare till båda.
På grund av svårigheterna att bevisa att en kärnstridsspets är verklig och innehåller verkligt kärnbränsle (vanligtvis höganrikat plutonium), tidigare fördrag har istället fokuserat på de mycket större och svårare att förfalska leveranssystemen:interkontinentala ballistiska missiler, kryssningsmissiler, och bombplan. Vapenminskningsavtal som START, vilket minskade antalet leveranssystem på varje sida med 80 procent på 1990-talet, resulterade i att hundratals missiler och flygplan förstördes, inklusive 365 enorma B-52 bombplan hackade i bitar av en gigantisk giljotinliknande anordning i Arizonas öken.
Men för att avvärja farorna med framtida spridning – t.ex. om oseriösa nationer eller terrorister fick kontroll över kärnstridsspetsar – att faktiskt göra sig av med själva bomberna och deras bränsle borde vara ett mål för framtida fördrag, säger Danagoulian. Så, ett sätt att verifiera sådan förstörelse skulle kunna vara nyckeln till att göra sådana avtal möjliga. Danagoulian säger att hans team, som inkluderade doktoranden Jayson Vavrek, postdoc Brian Henderson, och nyutexaminerade Jake Hecla '17, har hittat just en sådan metod, i två olika varianter.
"Hur verifierar man vad som finns i en svart låda utan att titta inuti? Människor har provat många olika koncept, " säger Danagoulian. Men dessa ansträngningar tenderar att lida av samma problem:om de avslöjar tillräckligt med information för att vara effektiva, de avslöjar för mycket för att vara politiskt acceptabla.
För att komma runt det, den nya metoden är en fysisk analog av datakryptering, där data vanligtvis manipuleras med en specifik uppsättning stora siffror, känd som nyckeln. De resulterande uppgifterna återges i huvudsak till skratt, otydlig utan den nödvändiga nyckeln. Dock, det är fortfarande möjligt att avgöra om två uppsättningar data är identiska eller inte, för efter kryptering skulle de fortfarande vara identiska, förvandlats till exakt samma skratt. Någon som tittar på data skulle inte ha någon kunskap om deras innehåll, men kunde fortfarande vara säker på att de två datamängderna var desamma.
Det är principen som Danagoulian och hans team tillämpade, i fysisk form, med stridsspetsverifieringssystemet – gör det "inte genom beräkning, men genom fysiken, " säger han. "Du kan hacka elektronik, men du kan inte hacka fysik."
En kärnstridsspets har två väsentliga egenskaper:blandningen av tunga element och isotoper som utgör dess kärnbränsle, "och dimensionerna av den ihåliga sfären, kallas en grop, där detta kärnmaterial vanligtvis är konfigurerat. Dessa detaljer anses vara topphemlig information inom alla nationer som har sådana vapen.
Att bara mäta strålningen som sänds ut av en förmodad stridsspets är inte tillräckligt för att bevisa att den är verklig, säger Danagoulian. Det kan vara en falsk som innehåller vapen-irrelevanta material som avger exakt samma strålningssignatur som en riktig bomb. Prober som använder isotopkänsliga resonansprocesser kan användas för att undersöka bombens inre egenskaper och avslöja både isotopblandningen och formen, bevisar dess verklighet, men det ger bort alla hemligheter. Så Danagoulian och hans team introducerade en annan pusselbit:en fysisk "nyckel" som innehåller en blandning av samma isotoper, men i proportioner som är okända för besiktningspersonalen och som därmed förvränger informationen om själva vapnet.
Tänk på det så här:Det är som om isotoperna representerades av färger, och nyckeln var ett filter placerat över målet, med områden som balanserar varje färg på målet med dess exakta komplementfärg, precis som ett fotografisk negativ, så att när de är uppradade avbryts färgerna perfekt och allt ser bara svart ut. Men om själva målet har ett annat färgmönster, missmatchningen skulle vara ytterst uppenbar - avslöja ett "falskt" mål.
När det gäller det neutronbaserade konceptet, det är blandningen av de tunga isotoper som matchas, snarare än färger, men effekten är densamma. Landet som tillverkade bomben skulle producera det matchande "filtret, " i detta fall kallas en kryptografisk ömsesidig eller en kryptografisk folie. Stridsspetsen som ska verifieras, som kan döljas i en svart låda för att förhindra visuell inspektion, är uppradad med den kryptografiska ömsesidiga eller en folie. Kombinationen genomgår en mätning med en stråle av neutroner, och en detektor som kan registrera de isotopspecifika resonanssignaturerna. Den resulterande neutrondatan kan renderas som en bild som verkar i huvudsak tom om stridsspetsen är verklig, men visar detaljer om stridsspetsen om det inte är det. (I den alternativa versionen, strålen består av fotoner, "filtret" är en kryptografisk folie, och resultatet är ett spektrum snarare än en bild, men den väsentliga principen är densamma.) Dessa tester är baserade på kraven i ett Zero Knowledge Proof - där den ärliga bevisaren kan visa efterlevnad, utan att avslöja något mer.
Det finns ytterligare ett avskräckande mot fusk inbyggt i det neutronbaserade systemet. Eftersom mallen är ett perfekt komplement till själva stridsspetsen, att försöka lämna bort en dummy istället för den äkta varan skulle faktiskt göra just det som nationer försöker undvika:det skulle avslöja några av de hemliga detaljerna i stridsspetsens sammansättning och konfiguration (precis som ett fotografiskt negativ uppradat med ett icke- matchande positiv skulle avslöja konturerna av bilden).
Danagoulian, som växte upp i Armenien när det var en del av Sovjetunionen innan han emigrerade till USA för college (han tog sin kandidatexamen vid MIT 1999 och sin doktorsexamen vid University of Illinois i Urbana-Champaign 2006), säger att han minns det kalla krigets dagar när både U.S.S.R och USA hade tusentals kärnvapenmissiler ständigt redo, riktade mot varandras städer. Efter Sovjetunionens fall, han säger, det fanns en enorm mängd klyvbart material som var lämpligt för bombtillverkning kvar i Ryssland och dess tidigare satelliter. Detta material "mätt i tiotals ton - som kunde användas för att göra tusentals, om inte tiotusentals, "av kärnvapenbomber, han säger. Dessa minnen gav en stark motivation att hitta sätt att använda hans kunskaper i fysik för att underlätta en minskning av mängden sådant material och antalet kärnvapen som står redo runt om i världen, han säger.
Teamet har verifierat neutronkonceptet genom omfattande simuleringar och hoppas nu kunna bevisa att det fungerar genom tester av faktiska klyvbara material, i samarbete med ett nationellt laboratorium som kan tillhandahålla sådant material. Fotonkonceptet har varit i fokus för ett proof of concept-experiment som genomförts vid MIT och beskrivs i PNAS-publikationen.
Om ett system en dag antas och hjälper till att åstadkomma betydande minskningar av mängden kärnvapen i världen, Danagoulian säger, "alla kommer att ha det bättre. Det kommer att bli mindre av detta som väntar, väntar på att bli stulen, av misstag tappats eller smugglats någonstans. Vi hoppas att det här kommer att göra ett hål på problemet."
