Talking ScienceΜια νέα μέθοδος μοριακής δοκιμής βοηθά στην απόδειξη της αυθεντικότητας των έργων τέχνης. Η νέα μέθοδος θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην ασφάλεια των κωδικών πρόσβασης έναντι των κβαντικών υπολογιστών.
Εν συντομία
- Οι μονόδρομες λειτουργίες είναι κεντρικές για την κρυπτογραφία και τον ψηφιακό κόσμο. Ερευνητές στο ETH Zurich έχουν τώρα αναπτύξει μια τέτοια λειτουργία για τον φυσικό κόσμο.
- Η νέα τεχνολογία τους βασίζεται σε μια δεξαμενή εκατό εκατομμυρίων διαφορετικών μορίων DNA και προστατεύει από την παραχάραξη.
- Αντί να χρησιμοποιεί αλγόριθμους, η μέθοδος χρησιμοποιεί την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) και τον προσδιορισμό αλληλουχίας DNA.
Οι ειδικοί σε θέματα ασφάλειας φοβούνται την Q-Day, την ημέρα που οι κβαντικοί υπολογιστές γίνονται τόσο ισχυροί που μπορούν να σπάσουν τους σημερινούς κωδικούς πρόσβασης. Ορισμένοι ειδικοί εκτιμούν ότι αυτή η μέρα θα έρθει μέσα στα επόμενα δέκα χρόνια. Οι έλεγχοι κωδικών πρόσβασης βασίζονται σε κρυπτογραφικές μονόδρομες συναρτήσεις, οι οποίες υπολογίζουν μια τιμή εξόδου από μια τιμή εισόδου. Αυτό καθιστά δυνατό τον έλεγχο της εγκυρότητας ενός κωδικού πρόσβασης χωρίς τη μετάδοση του ίδιου του κωδικού πρόσβασης: η συνάρτηση μονής κατεύθυνσης μετατρέπει τον κωδικό πρόσβασης σε τιμή εξόδου που μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο της εγκυρότητάς του, για παράδειγμα, στην ηλεκτρονική τραπεζική. Αυτό που κάνει τις μονόδρομες συναρτήσεις ξεχωριστές είναι ότι είναι αδύνατο να χρησιμοποιηθεί η τιμή εξόδου τους για να συναχθεί η τιμή εισόδου – με άλλα λόγια, ο κωδικός πρόσβασης. Τουλάχιστον όχι με τους σημερινούς πόρους. Ωστόσο, οι μελλοντικοί κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να κάνουν ευκολότερο αυτόν τον αντίστροφο υπολογισμό.
Ερευνητές στο ETH Zurich παρουσίασαν τώρα μια κρυπτογραφική μονόδρομη λειτουργία που λειτουργεί διαφορετικά από τη σημερινή και θα είναι επίσης ασφαλής στο μέλλον. Αντί να επεξεργάζονται τα δεδομένα χρησιμοποιώντας αριθμητικές πράξεις, αποθηκεύονται ως μια ακολουθία νουκλεοτιδίων – τα χημικά δομικά στοιχεία του DNA.
Βασισμένο στην αληθινή τυχαιότητα
«Το σύστημά μας βασίζεται στην αληθινή τυχαιότητα. Οι τιμές εισόδου και εξόδου συνδέονται φυσικά και είναι δυνατή μόνο η μετάβαση από την τιμή εισόδου στην τιμή εξόδου, όχι το αντίστροφο», εξηγεί ο Robert Grass, καθηγητής στο Τμήμα Χημείας και Εφαρμοσμένων Βιοεπιστημών. «Δεδομένου ότι είναι ένα φυσικό σύστημα και όχι ένα ψηφιακό, δεν μπορεί να αποκωδικοποιηθεί από έναν αλγόριθμο, ούτε καν από έναν που τρέχει σε έναν κβαντικό υπολογιστή», προσθέτει η Anne Lüscher, διδακτορική φοιτήτρια στην ομάδα του Grass. Είναι η επικεφαλής συγγραφέας της εργασίας, η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications.
Το νέο σύστημα των ερευνητών μπορεί να χρησιμεύσει ως ένας πλαστός τρόπος πιστοποίησης της αυθεντικότητας πολύτιμων αντικειμένων όπως τα έργα τέχνης. Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό πρώτων υλών και βιομηχανικών προϊόντων.
Πως λειτουργεί
Η νέα βιοχημική μονόδρομη λειτουργία βασίζεται σε μια δεξαμενή εκατό εκατομμυρίων διαφορετικών μορίων DNA. Κάθε ένα από τα μόρια περιέχει δύο τμήματα που διαθέτουν μια τυχαία ακολουθία νουκλεοτιδίων: ένα τμήμα για την τιμή εισόδου και ένα για την τιμή εξόδου. Υπάρχουν αρκετές εκατοντάδες πανομοιότυπα αντίγραφα καθενός από αυτά τα μόρια DNA στη δεξαμενή, και η δεξαμενή μπορεί επίσης να χωριστεί σε πολλές δεξαμενές. Αυτά είναι πανομοιότυπα επειδή περιέχουν τα ίδια τυχαία μόρια DNA. Οι δεξαμενές μπορούν να βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία ή μπορούν να ενσωματωθούν σε αντικείμενα.
Όποιος έχει στην κατοχή του αυτή τη δεξαμενή DNA κρατά την κλειδαριά του συστήματος ασφαλείας. Η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο ενός κλειδιού ή μιας τιμής εισόδου, η οποία έχει τη μορφή μιας μικρής αλληλουχίας νουκλεοτιδίων. Κατά τη διάρκεια της PCR, αυτό το κλειδί αναζητά τη δεξαμενή εκατοντάδων εκατομμυρίων μορίων DNA για το μόριο με την αντίστοιχη τιμή εισόδου και η PCR στη συνέχεια ενισχύει την τιμή εξόδου που βρίσκεται στο ίδιο μόριο. Η αλληλουχία DNA χρησιμοποιείται για να κάνει την τιμή εξόδου αναγνώσιμη.
“Η παραγωγή μορίων DNA με ενσωματωμένη τυχαιότητα είναι φθηνή και εύκολη.”
Robert Grass
Με την πρώτη ματιά, η αρχή φαίνεται περίπλοκη. “Ωστόσο, η παραγωγή μορίων DNA με ενσωματωμένη τυχαιότητα είναι φθηνή και εύκολη”, λέει ο Grass. Το κόστος παραγωγής για μια δεξαμενή DNA που μπορεί να κατανεμηθεί με αυτόν τον τρόπο είναι λιγότερο από 1 ελβετικό φράγκο. Η χρήση της αλληλουχίας DNA για την ανάγνωση της τιμής εξόδου είναι πιο χρονοβόρα και δαπανηρή, αλλά πολλά εργαστήρια βιολογίας διαθέτουν ήδη τον απαραίτητο εξοπλισμό.
Εξασφάλιση πολύτιμων αγαθών και αλυσίδων εφοδιασμού
Το ETH Zurich υπέβαλε αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για αυτή τη νέα τεχνολογία. Οι ερευνητές θέλουν τώρα να το βελτιστοποιήσουν και να το τελειοποιήσουν για να το φέρουν στην αγορά. Επειδή η χρήση της μεθόδου απαιτεί εξειδικευμένη εργαστηριακή υποδομή, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι η πιο πιθανή εφαρμογή για αυτήν τη μορφή επαλήθευσης κωδικού πρόσβασης είναι επί του παρόντος για προϊόντα υψηλής ευαισθησίας ή για πρόσβαση σε κτίρια με περιορισμένη πρόσβαση. Αυτή η τεχνολογία δεν θα είναι μια επιλογή για το ευρύτερο κοινό να ελέγχει τους κωδικούς πρόσβασης έως ότου η αλληλουχία DNA ιδιαίτερα γίνει πιο εύκολη.
Λίγη περισσότερη σκέψη έχει ήδη μπει στην ιδέα της χρήσης της τεχνολογίας για την πιστοποίηση πλαστών έργων τέχνης. Για παράδειγμα, εάν υπάρχουν δέκα αντίγραφα μιας εικόνας, ο καλλιτέχνης μπορεί να τα σημαδέψει όλα με τη δεξαμενή DNA – ίσως αναμειγνύοντας το DNA στο χρώμα, ψεκάζοντάς το πάνω στην εικόνα ή εφαρμόζοντάς το σε ένα συγκεκριμένο σημείο.
Εάν αρκετοί ιδιοκτήτες επιθυμούν αργότερα να επιβεβαιωθεί η αυθεντικότητα αυτών των έργων τέχνης, μπορούν να συναντηθούν, να συμφωνήσουν σε ένα κλειδί (δηλαδή μια τιμή εισόδου) και να πραγματοποιήσουν τη δοκιμή DNA. Όλα τα αντίγραφα για τα οποία η δοκιμή παράγει την ίδια τιμή εξόδου θα έχουν αποδειχθεί γνήσια. Η νέα τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη σύνδεση κρυπτογραφικών περιουσιακών στοιχείων όπως τα NFT, τα οποία υπάρχουν μόνο στον ψηφιακό κόσμο, με ένα αντικείμενο και συνεπώς με τον φυσικό κόσμο.
Επιπλέον, θα υποστήριζε την στεγανή παρακολούθηση κατά μήκος των αλυσίδων εφοδιασμού βιομηχανικών αγαθών ή πρώτων υλών. «Η αεροπορική βιομηχανία, για παράδειγμα, πρέπει να είναι σε θέση να παρέχει πλήρη απόδειξη ότι χρησιμοποιεί μόνο γνήσια εξαρτήματα. Η τεχνολογία μας μπορεί να εγγυηθεί την ιχνηλασιμότητα», λέει ο Grass. Επιπλέον, η μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την επισήμανση της γνησιότητας των αυθεντικών φαρμάκων ή καλλυντικών.
Aναδημοσίευση άρθρου του Fabio Bergamin 08.04.2024 στο ETH Zurich News. Link to original article >
Πηγή: Luescher AM, Gimpel AL, Stark WJ, Heckel R, Grass RN: Chemical unclonable functions based on operable random DNA pools. Nature Communications, 5 April 2024, doi: 10.1038/s41467-024-47187-7
