211service.com
Kwantumbiometrie maakt gebruik van het vermogen van het menselijk oog om afzonderlijke fotonen te detecteren
Als het om veiligheid gaat, biedt de kwantumwereld ongekende rijkdom. Kwantumcryptografie belooft bijvoorbeeld absolute geheimhouding die wordt gegarandeerd door de wetten van de fysica.
Daarom hebben regeringen, militaire organisaties en anderen zich gehaast om deze technologie te ontwikkelen en te omarmen. Een belangrijke vraag is hoeveel verder kwantumbeveiliging kan gaan.
Vandaag krijgen we een soort antwoord dankzij het werk van Michail Loulakis aan de Nationale Technische Universiteit van Athene in Griekenland en een paar vrienden die hebben uitgezocht hoe ze kwantummechanica kunnen gebruiken om individuen veilig te identificeren.
Kwantumbiometrie, zeggen ze, maakt identificatie nauwkeuriger en moeilijker voor een kwaadwillende gebruiker om te voorkomen. Bovendien gebruikt het team de wetten van de fysica om precies te kwantificeren hoe goed kwantumbiometrie kan zijn.
De nieuwe techniek is gebaseerd op het bekende vermogen van het menselijk oog om afzonderlijke fotonen te detecteren. Onze lichtdetectiemachinerie vertrouwt op rodopsinemoleculen in retinale staafcellen om enkele fotonen te detecteren en vervolgens op een complex mechanisme van fototransductie om dit signaal naar de hersenen te sturen.
Experimenten uit de jaren veertig tonen aan dat mensen zich bewust kunnen worden van een lichtflits die slechts een handvol fotonen bevat. Dit fotondetectieproces is een kwantummechanisme en wordt beheerst door de wetten van de kwantumfysica. De werkelijke waarschijnlijkheid van het detecteren van de flits hangt echter ook af van de omgeving in het oog.
Deze omgeving bepaalt het aantal fotonen dat op het netvlies aankomt en de weg die ze afleggen. Zo belangrijke factoren zijn de optische verliezen die gepaard gaan met de doorgang van licht door het hoornvlies, de voorkamer, de pupil, de lens en het glasvocht.
De detectiekans hangt ook af van hoe het licht op een bepaalde plek op het netvlies wordt geabsorbeerd, iets dat over het hele netvlies varieert.
Het meten van de detectiekans is eenvoudig. De experimenten omvatten het herhaaldelijk sturen van een lichtflits in het oog en tellen hoe vaak het onderwerp zich hiervan bewust wordt.
Door alle omgevingsfactoren samen te voegen tot een enkele parameter, alfa genaamd, kunnen natuurkundigen de detectiekans berekenen.
Quantumbiometrie zet deze methode op zijn kop. Dit proces begint door een bepaalde waarschijnlijkheid aan te nemen dat een flits wordt gedetecteerd en vervolgens dezelfde experimenten te gebruiken om alfa te meten. Loulakis en co stellen met name voor te meten hoe alfa varieert over het gezichtsveld.
De manier waarop alfa verandert - de alfakaart - hangt af van het unieke patroon van zenuwen, bloedvaten en lichtgevoelige cellen in het oog en zou dus voor alle individuen uniek moeten zijn. Dat maakt een alfakaart tot een goede biometrische handtekening (die uiteraard geheim moet blijven).
Nadat de kaart is gemeten, is het de taak om deze te gebruiken om een persoon te identificeren. Dit is waar de wetten van de kwantumfysica zo handig zijn, omdat ze duidelijk gedefinieerde limieten stellen aan hoe goed een afluisteraar het systeem kan verijdelen.
Het identificatieproces is dan eenvoudig. Loulakis en co stellen voor om een willekeurig patroon van flitsen in het oog te stralen, maar om de intensiteit van het licht in elke flits te variëren. Dit patroon is zorgvuldig ontworpen om de alfakaart te exploiteren, zodat het wordt gedetecteerd als een herkenbaar patroon door een persoon met een specifieke alfakaart, maar voor iemand anders willekeurig lijkt.
Een kwaadwillende afluisteraar, Eve, kan dit systeem niet gemakkelijk verijdelen. Een manier is voor Eve om de waarde van alfa te raden en dienovereenkomstig te reageren. Maar de kans dat dit lukt, kan willekeurig klein worden gemaakt door het aantal punten waarop alfa wordt gemeten te vergroten.
Een andere manier is dat Eve probeert de alfa in het oog van de proefpersoon te meten. Maar Loulakis en co zeggen dat hiervoor meettechnieken nodig zijn die veel verder gaan dan de stand van de techniek.
Een belangrijke vraag is hoeveel metingen er nodig zijn om een persoon goed te identificeren. Dat hangt af van hoe nauwkeurig de identificatie moet zijn, en er zijn twee manieren waarop het fout kan gaan. De eerste is een vals-positief - het ten onrechte identificeren van Eva als het onderwerp. De tweede is een vals-negatief - een verkeerde identificatie van het onderwerp.
De kansen op een fout-positieve en een fout-negatieve identificatie van deze biometrische techniek kunnen gemakkelijk respectievelijk [één op 1 miljard] en [één op tienduizend] benaderen, zeggen Loulakis en co.
Loulakis en co zeggen dat het mogelijk moet zijn om een persoon met dit niveau van nauwkeurigheid te identificeren met slechts zes ondervragingen. In de praktijk kunnen zes ondervragingen worden gerealiseerd in minder dan een minuut testtijd, zegt het team.
Dat is interessant werk dat een methode voor kwantumbiometrie in kaart brengt. Het team verdoezelt echter een aantal potentiële problemen. Een belangrijke vraag is hoe je iemands alfakaart nauwkeurig kunt meten. Daar is geen duidelijk antwoord op.
Een ander probleem is hoe alfa in de loop van de tijd varieert. Het gezichtsvermogen van iedereen verslechtert naarmate ze ouder worden, wat suggereert dat een alfakaart een vervaldatum van onzekere lengte zou hebben.
Er is ook de mogelijkheid dat alfa kan variëren over veel kortere tijdschalen. De meeste mensen ervaren veranderingen in het gezichtsvermogen met factoren zoals verkoudheid en griep, alcoholgebruik en zelfs met floaters die over het gezichtsveld gaan. Als alfakaarten ooit als een levensvatbare biometrische handtekening worden beschouwd, zal er veel werk nodig zijn om hun bruikbaarheid te karakteriseren.
Niettemin onderstreept het begrip kwantumbiometrie de toenemende belangstelling voor het begrijpen van de rol van kwantumprocessen in de biologie. Er valt duidelijk veel te leren.
Referentie: arxiv.org/abs/1704.04367 : Quantum Biometrie met Retinale Fotonen Tellen