En haut, un diagramme montre la configuration qui pourrait être utilisée pour vérifier qu'une ogive nucléaire est réelle. A gauche, l'élément clé d'une arme nucléaire, appelé la fosse, qui consiste en une sphère creuse de plutonium, est aligné avec un deuxième composant spécialement conçu, appelé la réciproque, qui a les caractéristiques opposées. Lorsque les deux sont observés à l'aide d'un faisceau de neutrons, l'image résultante (en bas à gauche) est distinctive mais ne révèle aucun détail sur les dimensions et la composition de la fosse. Cependant, si un objet d'apparence similaire avec une forme ou une composition différente est substitué à la fosse, il en résulte une image nettement différente, ce qui permet de dire facilement qu'il s'agit d'un faux. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts
Lors des négociations passées visant à réduire les arsenaux des superpuissances nucléaires du monde, principalement les États-Unis et la Russie, un point d'achoppement majeur a été le processus de vérification :comment prouver que de vraies bombes et engins nucléaires - pas seulement des répliques - ont été détruits, sans révéler des secrets bien gardés sur la conception de ces armes ?
Maintenant, les chercheurs du MIT ont trouvé une solution intelligente, qui sert en fait de version basée sur la physique des clés cryptographiques utilisées dans les systèmes de cryptage informatique. En réalité, ils ont proposé deux versions entièrement différentes d'un tel système, pour montrer qu'il peut y avoir une variété d'options parmi lesquelles choisir si l'une d'entre elles présente des inconvénients. Leurs conclusions sont rapportées dans deux articles, un dans Communication Nature et l'autre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , avec Areg Danagoulian, professeur adjoint de science et d'ingénierie nucléaires au MIT, en tant qu'auteur principal des deux.
En raison des difficultés à prouver qu'une ogive nucléaire est réelle et contient du combustible nucléaire réel (généralement du plutonium hautement enrichi), les traités passés se sont plutôt concentrés sur les systèmes de lancement beaucoup plus gros et plus difficiles à falsifier :missiles balistiques intercontinentaux, missiles de croisière, et des bombardiers. Les traités de réduction des armements tels que START, qui a réduit le nombre de systèmes de livraison de chaque côté de 80 pour cent dans les années 1990, entraîné la destruction de centaines de missiles et d'avions, dont 365 énormes bombardiers B-52 coupés en morceaux par un appareil géant ressemblant à une guillotine dans le désert de l'Arizona.
Mais pour éviter les dangers d'une prolifération future, par exemple, si des nations voyous ou des terroristes prenaient le contrôle des ogives nucléaires, l'élimination des bombes elles-mêmes et de leur combustible devrait être un objectif des futurs traités, dit Danagoulian. Donc, un moyen de vérifier une telle destruction pourrait être une clé pour rendre de tels accords possibles. Danagoulian dit à son équipe, qui comprenait l'étudiant diplômé Jayson Vavrek, post-doctorant Brian Henderson, et le récent diplômé Jake Hecla '17, ont trouvé une telle méthode, en deux variantes différentes.
« Comment vérifier ce qu'il y a dans une boîte noire sans regarder à l'intérieur ? Les gens ont essayé de nombreux concepts différents, " dit Danagoulian. Mais ces efforts ont tendance à souffrir du même problème :s'ils révèlent suffisamment d'informations pour être efficaces, ils révèlent trop de choses pour être politiquement acceptables.
Pour contourner cela, la nouvelle méthode est un analogue physique du cryptage des données, dans lequel les données sont généralement manipulées à l'aide d'un ensemble spécifique de grands nombres, connu comme la clé. Les données résultantes sont essentiellement rendues en charabia, indéchiffrable sans la clé nécessaire. Cependant, il est toujours possible de dire si deux ensembles de données sont identiques ou non, car après cryptage ils seraient toujours identiques, transformé en exactement le même charabia. Quelqu'un qui visionnerait les données n'aurait aucune connaissance de leur contenu, mais pouvait toujours être certain que les deux ensembles de données étaient les mêmes.
C'est le principe que Danagoulian et son équipe ont appliqué, sous forme physique, avec le système de vérification des ogives — le faire « pas par le calcul, mais par la physique, " dit-il. " Vous pouvez pirater l'électronique, mais vous ne pouvez pas pirater la physique."
Une tête nucléaire a deux caractéristiques essentielles :le mélange d'éléments lourds et d'isotopes qui constitue son « combustible nucléaire, " et les dimensions de la sphère creuse, appelé une fosse, dans laquelle cette matière nucléaire est généralement configurée. Ces détails sont considérés comme des informations top secrètes dans toutes les nations qui possèdent de telles armes.
Il ne suffit pas de mesurer le rayonnement émis par une ogive supposée pour prouver qu'elle est réelle, dit Danagoulian. Il pourrait s'agir d'un faux contenant des matériaux non pertinents pour l'arme qui dégagent exactement la même signature de rayonnement qu'une vraie bombe. Des sondes utilisant des processus résonants sensibles aux isotopes peuvent être utilisées pour sonder les caractéristiques internes de la bombe et révéler à la fois le mélange isotopique et la forme, prouver sa réalité, mais cela révèle tous les secrets. Danagoulian et son équipe ont donc introduit une autre pièce du puzzle :une "clé" physique contenant un mélange des mêmes isotopes, mais dans des proportions inconnues de l'équipe d'inspection et qui brouillent ainsi les informations sur l'arme elle-même.
Pensez-y de cette façon :c'est comme si les isotopes étaient représentés par des couleurs, et la clé était un filtre placé sur la cible, avec des zones qui équilibrent chaque couleur sur la cible avec sa couleur complémentaire exacte, tout comme un négatif photographique, de sorte que lorsqu'elles sont alignées, les couleurs s'annulent parfaitement et tout semble noir. Mais si la cible elle-même a un motif de couleur différent, l'inadéquation serait flagrante - révélant une "fausse" cible.
Dans le cas du concept à base de neutrons, c'est le mélange des isotopes lourds qui correspond, plutôt que des couleurs, mais l'effet est le même. Le pays qui a produit la bombe produirait le "filtre, " dans ce cas appelé réciproque cryptographique ou feuille cryptographique. L'ogive à vérifier, qui peut être dissimulé dans une boîte noire pour empêcher toute inspection visuelle, est aligné avec la réciproque cryptographique ou une feuille. La combinaison subit une mesure à l'aide d'un faisceau de neutrons, et un détecteur qui peut enregistrer les signatures résonantes spécifiques aux isotopes. Les données neutroniques résultantes peuvent être rendues sous la forme d'une image qui apparaît essentiellement vide si l'ogive est réelle, mais montre les détails de l'ogive si ce n'est pas le cas. (Dans la version alternative, le faisceau est constitué de photons, le "filtre" est une feuille cryptographique, et la sortie est un spectre plutôt qu'une image, mais le principe essentiel est le même.) Ces tests sont basés sur les exigences d'une preuve de connaissance zéro - où le prouveur honnête peut démontrer la conformité, sans rien révéler de plus.
Il y a une autre dissuasion à la tricherie intégrée dans le système à base de neutrons. Parce que le modèle est un complément parfait de l'ogive elle-même, essayer de faire passer un mannequin au lieu de la vraie chose ferait en fait la chose même que les nations essaient d'éviter :cela révélerait certains des détails secrets de la composition et de la configuration de l'ogive (tout comme un négatif photographique aligné avec un non- une correspondance positive révélerait les contours de l'image).
Danagoulian, qui a grandi en Arménie alors qu'elle faisait partie de l'Union soviétique avant d'émigrer aux États-Unis pour l'université (il a obtenu son baccalauréat au MIT en 1999 et son doctorat à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign en 2006), dit qu'il se souvient très bien de l'époque de la guerre froide, lorsque l'URSS et les États-Unis avaient des milliers de missiles nucléaires toujours prêts, visant les villes des uns et des autres. Après la chute de l'Union soviétique, il dit, il restait une énorme quantité de matière fissile adaptée à la fabrication de bombes en Russie et dans ses anciens satellites. Ce matériau "mesuré en dizaines de tonnes - qui pourrait servir à en fabriquer des milliers, sinon des dizaines de milliers, " de bombes nucléaires, il dit. Ces souvenirs ont fourni une forte motivation pour trouver des moyens d'utiliser ses connaissances en physique pour faciliter une réduction de la quantité de ces matières et du nombre d'armes nucléaires prêtes à l'emploi dans le monde, il dit.
L'équipe a vérifié le concept de neutrons grâce à des simulations approfondies et espère maintenant prouver qu'il fonctionne grâce à des tests de matières fissiles réelles, en collaboration avec un laboratoire national qui peut fournir de tels matériaux. Le concept de photon a fait l'objet d'une expérience de preuve de concept menée au MIT et est décrit dans la publication PNAS.
Si un système est un jour adopté et contribue à réduire considérablement le nombre d'armes nucléaires dans le monde, Danagoulian dit, "tout le monde sera mieux. Il y aura moins de cette attente, en attente d'être volé, accidentellement tombé ou passé en contrebande quelque part. Nous espérons que cela résoudra le problème."
