Quantum Biometrics utnyttjar det mänskliga ögats förmåga att upptäcka enstaka fotoner

När det kommer till säkerhet erbjuder kvantvärlden oöverträffade rikedomar. Kvantkryptografi, till exempel, lovar absolut sekretess som garanteras av fysikens lagar.

Det är därför regeringar, militära organisationer och andra har rusat för att utveckla och anamma denna teknik. En viktig fråga är hur mycket mer kvantsäkerhet kan gå.

Idag får vi ett slags svar tack vare arbetet från Michail Loulakis vid National Technical University of Athens i Grekland och några kompisar som har utarbetat hur man kan utnyttja kvantmekaniken för att säkert identifiera individer.

Kvantbiometri, säger de, gör identifieringen mer exakt och svårare för en illvillig användare att förhindra. Dessutom använder teamet fysikens lagar för att kvantifiera exakt hur bra kvantbiometri kan vara.

Den nya tekniken bygger på det mänskliga ögats välkända förmåga att upptäcka enstaka fotoner. Vårt ljusdetektionsmaskineri förlitar sig på rhodopsinmolekyler i retinala stavceller för att detektera enstaka fotoner och sedan på en komplex mekanism för fototransduktion för att skicka denna signal till hjärnan.

Experiment som går tillbaka till 1940-talet visar att människor kan bli medvetna om en ljusblixt som bara innehåller en handfull fotoner. Denna fotondetektionsprocess är en kvantmekanism och styrs av kvantfysikens lagar. Men den faktiska sannolikheten att upptäcka blixten beror också på miljön i ögat.

Denna miljö bestämmer antalet fotoner som kommer till näthinnan och vägen de tar. Så viktiga faktorer är de optiska förlusterna i samband med ljusets passage genom hornhinnan, den främre kammaren, pupillen, linsen och glaskroppen.

Sannolikheten för upptäckt beror också på hur ljuset absorberas på en specifik plats på näthinnan, något som varierar över hela näthinnan.

Att mäta sannolikheten för upptäckt är enkelt. Experimenten går ut på att upprepade gånger skicka en ljusblixt in i ögat och räkna hur ofta försökspersonen blir medveten om det.

Genom att klumpa ihop alla miljöfaktorer till en enda parameter som kallas alfa, kan fysiker sedan beräkna sannolikheten för upptäckt.

Kvantbiometri vänder på den här metoden. Denna process börjar med att anta en viss sannolikhet att upptäcka en blixt och sedan använda samma experiment för att mäta alfa. I synnerhet föreslår Loulakis och co att mäta hur alfa varierar över synfältet.

Hur alfa förändras – alfakartan – beror på det unika mönstret av nerver, blodkärl och ljuskänsliga celler i ögat och bör därför vara unikt för alla individer. Det gör en alfakarta till en bra biometrisk signatur (som uppenbarligen måste hållas hemlig).

När kartan har mätts är uppgiften att använda den för att identifiera en individ. Det är här kvantfysikens lagar är så användbara eftersom de sätter väldefinierade gränser för hur väl en avlyssnare kan foliera systemet.

Identifieringsprocessen är sedan enkel. Loulakis och co föreslår att stråla ett slumpmässigt mönster av blixtar in i ögat men att variera ljusintensiteten i varje blixt. Detta mönster är noggrant utformat för att utnyttja alfakartan så att den upptäcks som ett igenkännbart mönster av en person med en specifik alfakarta men verkar slumpmässigt för någon annan.

En illvillig tjuvlyssnare, Eve, kan inte lätt förhindra detta system. Ett sätt är för Eva att gissa värdet av alfa och svara därefter. Men chanserna att detta lyckas kan göras godtyckligt små genom att öka antalet punkter där alfa mäts.

Ett annat sätt är att Eva försöker mäta alfa i motivets öga. Men Loulakis och co säger att detta skulle kräva mättekniker som är långt bortom den senaste tekniken.

En viktig fråga är hur många mätningar som krävs för att korrekt identifiera en individ. Det beror på hur exakt identifieringen måste vara, och det finns två sätt det kan gå fel på. Den första är ett falskt positivt – att felaktigt identifiera Eva som subjekt. Det andra är ett falskt negativt – felidentifiering av ämnet.

Sannolikheterna för en falsk positiv och en falsk negativ identifiering av denna biometriska teknik kan lätt närma sig [en på 1 miljard] respektive [en på tio tusen], säger Loulakis och co.

Loulakis och co säger att det borde vara möjligt att identifiera en individ med denna noggrannhet med bara sex förhör. I praktiken kan sex förhör genomföras på mindre än en minuts testtid, säger teamet.

Det är intressant arbete som kartlägger en metod för kvantbiometri. Laget spolar dock över ett antal potentiella problem. En viktig fråga är hur man exakt mäter någons alfakarta i första hand. Det finns inget klart svar på det.

Ett annat problem är hur alfa varierar över tiden. Allas syn försämras när de blir äldre, vilket tyder på att en alfakarta skulle ha ett utgångsdatum av osäker längd.

Det finns också möjligheten att alfa kan variera över mycket kortare tidsskalor. De flesta upplever förändringar i synen på grund av faktorer som förkylningar och influensa, alkoholkonsumtion och till och med med svävare som passerar över synfältet. Om alfakartor någonsin ska betraktas som en livskraftig biometrisk signatur, kommer det att krävas betydande arbete för att karakterisera deras användbarhet.

Icke desto mindre understryker begreppet kvantbiometri det ökande intresset för att förstå kvantprocessernas roll i biologin. Det finns helt klart mycket att lära.

Ref: arxiv.org/abs/1704.04367 : Quantum Biometrics med Retinal Photon Counting

Dölj