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Quantenbiometrie nutzt die Fähigkeit des menschlichen Auges, einzelne Photonen zu erkennen
Wenn es um Sicherheit geht, bietet die Quantenwelt unvergleichliche Reichtümer. Die Quantenkryptographie zum Beispiel verspricht absolute Geheimhaltung, die durch die Gesetze der Physik garantiert wird.
Aus diesem Grund haben sich Regierungen, Militärorganisationen und andere beeilt, diese Technologie zu entwickeln und zu nutzen. Eine wichtige Frage ist, wie weit die Quantensicherheit noch gehen kann.
Heute erhalten wir dank der Arbeit von Michail Loulakis von der Nationalen Technischen Universität Athen in Griechenland und einigen Freunden, die herausgefunden haben, wie man die Quantenmechanik nutzt, um Personen sicher zu identifizieren, eine Art Antwort.
Quantenbiometrie, sagen sie, macht die Identifizierung genauer und für einen böswilligen Benutzer schwieriger zu vereiteln. Darüber hinaus nutzt das Team die Gesetze der Physik, um genau zu quantifizieren, wie gut Quantenbiometrie sein kann.
Die neue Technik basiert auf der bekannten Fähigkeit des menschlichen Auges, einzelne Photonen zu erkennen. Unsere Lichtdetektionsmaschinerie beruht auf Rhodopsinmolekülen in retinalen Stäbchenzellen, um einzelne Photonen zu erkennen, und dann auf einem komplexen Mechanismus der Phototransduktion, um dieses Signal an das Gehirn zu senden.
Experimente aus den 1940er Jahren zeigen, dass Menschen einen Lichtblitz wahrnehmen können, der nur eine Handvoll Photonen enthält. Dieser Photonenerkennungsprozess ist ein Quantenmechanismus und unterliegt den Gesetzen der Quantenphysik. Die tatsächliche Wahrscheinlichkeit, den Blitz zu erkennen, hängt jedoch auch von der Umgebung innerhalb des Auges ab.
Diese Umgebung bestimmt die Anzahl der Photonen, die auf der Netzhaut ankommen, und den Weg, den sie nehmen. So wichtige Faktoren sind die optischen Verluste, die mit dem Lichtdurchgang durch die Hornhaut, die Vorderkammer, die Pupille, die Linse und den Glaskörper verbunden sind.
Die Erkennungswahrscheinlichkeit hängt auch davon ab, wie das Licht an einer bestimmten Stelle auf der Netzhaut absorbiert wird, was über die gesamte Netzhaut hinweg unterschiedlich ist.
Die Messung der Erkennungswahrscheinlichkeit ist einfach. Bei den Experimenten wird wiederholt ein Lichtblitz ins Auge geschickt und gezählt, wie oft die Versuchsperson darauf aufmerksam wird.
Indem sie alle Umweltfaktoren zu einem einzigen Parameter namens Alpha zusammenfassen, können Physiker dann die Entdeckungswahrscheinlichkeit berechnen.
Die Quantenbiometrie stellt diese Methode auf den Kopf. Dieser Prozess beginnt mit der Annahme einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, einen Blitz zu entdecken, und verwendet dann dieselben Experimente, um Alpha zu messen. Insbesondere schlagen Loulakis und Co vor, zu messen, wie sich Alpha über das Gesichtsfeld hinweg verändert.
Die Art und Weise, wie sich Alpha ändert – die Alpha-Karte – hängt von dem einzigartigen Muster von Nerven, Blutgefäßen und lichtempfindlichen Zellen im Auge ab und sollte daher für alle Individuen einzigartig sein. Das macht eine Alpha-Karte zu einer guten biometrischen Signatur (die natürlich geheim gehalten werden muss).
Sobald die Karte vermessen ist, besteht die Aufgabe darin, sie zu verwenden, um eine Person zu identifizieren. Hier sind die Gesetze der Quantenphysik so praktisch, weil sie genau definierte Grenzen setzen, wie gut ein Lauscher das System vereiteln kann.
Der Identifizierungsprozess ist dann unkompliziert. Loulakis und Co. schlagen vor, ein zufälliges Muster von Blitzen in das Auge zu strahlen, aber die Intensität des Lichts bei jedem Blitz zu variieren. Dieses Muster wurde sorgfältig entwickelt, um die Alpha-Map so auszunutzen, dass es von einer Person mit einer bestimmten Alpha-Map als erkennbares Muster erkannt wird, für alle anderen jedoch zufällig erscheint.
Eine böswillige Lauscherin, Eve, kann dieses System nicht einfach vereiteln. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Eve den Wert von Alpha errät und entsprechend reagiert. Aber die Erfolgsaussichten können beliebig klein gemacht werden, indem man die Anzahl der Punkte erhöht, an denen Alpha gemessen wird.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass Eve versucht, Alpha im Auge der Testperson zu messen. Laut Loulakis und Co. würde dies jedoch Messtechniken erfordern, die weit über den Stand der Technik hinausgehen.
Eine wichtige Frage ist, wie viele Messungen notwendig sind, um eine Person richtig zu identifizieren. Das hängt davon ab, wie genau die Identifizierung sein muss, und es gibt zwei Möglichkeiten, wie es schief gehen kann. Das erste ist ein falsch positives Ergebnis, bei dem Eve fälschlicherweise als Subjekt identifiziert wird. Das zweite ist ein falsches Negativ – eine falsche Identifizierung des Subjekts.
Die Wahrscheinlichkeiten für eine falsch positive und eine falsch negative Identifizierung dieser biometrischen Technik können leicht [eins zu 1 Milliarde] bzw. [eins zu zehntausend] erreichen, sagen Loulakis und Co.
Laut Loulakis und Co. sollte es möglich sein, eine Person mit dieser Genauigkeit mit nur sechs Befragungen zu identifizieren. In der Praxis lassen sich sechs Abfragen in weniger als einer Minute Testzeit realisieren, so das Team.
Das ist eine interessante Arbeit, die eine Methode für die Quantenbiometrie aufzeigt. Das Team beschönigt jedoch eine Reihe potenzieller Probleme. Eine wichtige Frage ist, wie man überhaupt die Alpha-Karte einer Person genau misst. Darauf gibt es keine klare Antwort.
Ein weiteres Problem ist, wie Alpha im Laufe der Zeit variiert. Das Sehvermögen aller lässt mit zunehmendem Alter nach, was darauf hindeutet, dass eine Alpha-Karte ein Ablaufdatum von ungewisser Länge hat.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass Alpha über viel kürzere Zeiträume variiert. Die meisten Menschen erleben Veränderungen des Sehvermögens mit Faktoren wie Erkältungen und Grippe, Alkoholkonsum und sogar wenn Floater das Sichtfeld passieren. Wenn Alpha-Karten jemals als praktikable biometrische Signatur angesehen werden sollen, ist erhebliche Arbeit erforderlich, um ihren Nutzen zu charakterisieren.
Dennoch unterstreicht der Begriff der Quantenbiometrie das zunehmende Interesse am Verständnis der Rolle von Quantenprozessen in der Biologie. Es gibt eindeutig viel zu lernen.
Ref: arxiv.org/abs/1704.04367 : Quantenbiometrie mit Retinal Photon Counting