为了减少核武器,一种不暴露的核查方法

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在过去的旨在减少世界超级大国,主要是美国和俄罗斯的军火库的谈判中,一个主要的症结在于核查过程:你如何证明真正的炸弹和核装置——不仅仅是复制品——已经被摧毁,而没有暴露出克洛斯。伊利对这些武器的设计保密吗?nbsp;

图片说明:在顶部,一张图显示了可以用来验证核弹头是否真实的配置。在左边,核武器的关键部件,称为坑,由一个中空的钚球组成,排列着一个特殊的第二部分,称为倒数,它具有相反的特性。当使用中子束观察到两个时,得到的图像(左下角)是独特的,但没有揭示坑的尺寸和组成的细节。然而,如果一个外观相似的物体具有不同的形状或成分被替换为凹坑,它会导致一个明显不同的图像,使得很容易看出它是一个赝品。图片:阿雷格达纳古里

现在,麻省理工学院的研究人员想出了一个聪明的解决方案,它实际上是计算机加密系统中使用的密码密钥的物理版本。事实上,他们已经提出了两个完全不同的版本,以表明如果有人发现有缺陷的话,可能有多种选择。他们的研究结果发表在两篇论文中,一篇是《自然通讯》,另一篇是《美国国家科学院学报》,其中麻省理工学院核科学与工程系助理教授Areg Danagoulian作为两人的资深作者。

由于证明核弹头是真实的并且包含实际核燃料(通常是高度浓缩钚)的困难,过去的条约反而集中于更大更难伪造的传递系统:洲际弹道导弹、巡航导弹和轰炸机。20世纪90年代削减军备条约,使双方的交付系统数量减少了80%,导致数百枚导弹和飞机被摧毁,其中包括365架巨大的B-52轰炸机,在亚利桑那州沙漠中被巨大的断头台装置劈成碎片。nbsp;

但是,为了避免未来扩散的危险,例如,如果流氓国家或恐怖分子控制核弹头,实际上处置炸弹本身和燃料应该是未来条约的目标,Danagoulian说。因此,验证这种破坏的方式可能是达成此类协议的关键。Danagoulian说他的团队,包括研究生Jayson Vavrek、博士后Brian Henderson和最近的研究生Jake Hecla 17,都发现了这样一种方法,有两种不同的变化。

“你如何检查黑匣子里的东西而不看里面呢?”人们尝试了许多不同的概念,”Danagoulian说。但这些努力往往会遇到同样的问题:如果他们透露足够的信息以使其有效,那么他们就暴露出太多政治上无法接受的事实。

为了绕过这个问题,新方法是数据加密的物理模拟,其中数据通常使用一组特定的大数据(称为密钥)来操作。所得到的数据基本上被渲染成无意义的密钥。然而,仍然有可能判断两组数据是否相同,因为加密后它们仍然是相同的,转换成完全相同的胡言乱语。查看数据的人将不知道他们的内容,但仍然可以肯定这两个数据集是相同的。

这是Danagoulian和他的团队以物理形式应用弹头验证系统的原理——“不是通过计算,而是通过物理,”他说。“你可以砍掉电子学,但是你不能破解物理学。”

核弹头具有两个基本特征:重元素和同位素组成的核燃料,空心球的尺寸称为坑,核材料通常被配置。这些细节被认为是所有拥有此类武器的国家中最机密的信息。

Danagoulian说,仅仅测量一个假设弹头发射的辐射就不足以证明它是真实的。它可能是一种含有武器的假武器,它与真正的炸弹发出完全相同的辐射特征。使用同位素敏感共振过程的探针可以用来探测炸弹的内部特性,并揭示同位素的混合和形状,证明它的真实性,但这泄露了所有的秘密。所以Danagoulian和他的团队介绍了另一个难题:一个物理的“钥匙”,包含了相同同位素的混合物,但是在检查人员未知的比例中,从而扰乱了关于武器本身的信息。

用这样的方式来思考:好像同位素是用颜色来表示的,关键是在目标上放置一个滤光片,目标区域上的每一个颜色都与它的精确互补色平衡,就像照相底片一样,这样当颜色排成一行时,颜色就消失了。所有的东西看起来都是黑色的。但是如果目标本身有不同的颜色模式,那么不匹配将是非常明显的——揭示一个“假”目标。

在以中子为基础的概念中,它是混合的重同位素,而不是颜色,但效果是相同的。制造炸弹的国家将产生匹配的“过滤器”,在这种情况下称为密码倒数或密码箔。要验证的弹头可以隐藏在黑匣子内以防止任何目视检查,用密码倒数或箔片排列。该组合使用中子束进行测量,并且可以检测同位素特定的共振特征。所得到的中子数据可以呈现为一个图像,如果弹头是真实的,它看起来基本上是空白的,但如果没有,则显示弹头的细节。(在另一种版本中,光束由光子组成,“滤光器”是一种密码箔,输出是光谱而不是图像,但基本原理是相同的。)这些测试是基于零知识证明的要求——诚实的证明者可以恶魔。踏实顺从,没有透露更多的东西。

对基于中子系统的欺骗有进一步的抑制作用。因为模板是弹头本身的完美补充,试图传递一个傀儡而不是真正的东西实际上会做那些国家试图避免的事情:它会揭示弹头的组成和配置的一些秘密细节(就像照片一样)。PHIC的负片与不匹配的正片排列会显示图像的轮廓。

Danagoulian,他在亚美尼亚长大,当时是苏联的一部分,后来移民到美国上大学(他在1999获得了麻省理工学院的学士学位,2006在伊利诺伊大学获得了博士学位,他说他清楚地记得冷战时期,当时的U.S.S.R和美国随时准备着数千枚核导弹,瞄准对方的城市。苏联解体后,他说,在俄罗斯和以前的人造卫星中,有大量的适合于制造炸弹的裂变材料。他说,这种材料“以几十吨计——它可以用来制造成千上万枚(如果不是几万枚)的核炸弹。”他说,这些记忆提供了一个强大的动力,以找到在物理学中使用知识的方法,以减少这种材料的数量和世界各地准备好的核武器的数量。

该小组通过大量的模拟验证了中子概念,现在希望通过与实际的裂变材料的测试来证明它是可行的,它与一个能够提供这种材料的国家实验室合作。光子概念一直是麻省理工学院进行的概念证明实验的焦点,并在PNAS出版物中进行了描述。

加州大学伯克利分校核工程系教授兼联合主席Karl van Bibber说,这个团队的早期论文概述了这一概念,“当它出现时引起了广泛关注,但作为一项理论工作,人们可以正确地保留判断。关于它在实践中的可行性。“这篇新论文,”然而,作为第一个科学示范的技术,特别是当实验是用最简单和最有利的光子源可用,…在实际的验证程序中,这种方法简单易行。

因此,van Bibber说:“Danagoulian和球队通过了一个主要的酒吧……”接下来的挑战将是对弹头和最终真正系统的更高忠诚度的替代品的测试。

Danagoulian说,如果某一天某个系统被采纳,并有助于大幅削减世界核武器的数量,“每个人都会过得更好。”将会有更少的等待,等待被盗,意外地被丢弃或走私到某处。我们希望这会对这个问题产生影响。”

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