Artículos. Biometría
Seguridad del estado con un toque de luz
Desde la identificación a las comunicaciones, las tecnologías de fotónica desempeñan un papel clave en la seguridad del país. Esta contribución está incrementándose, gracias a una variedad de innovaciones.
Por ejemplo, avances en biometría que dependen de las cámaras,iluminación y mejora del procesamiento de imagen, podrían permitir la rápida identificación a distancia.
Así mismo, mediante la explotación de la bioquímica y la luz, los investigadores han encontrado una manera de detectar rápidamente la ricina, una potente toxina que puede ser utilizada como un agente de bioterrorismo. Y como último ejemplo, tecnologías cuánticas, que hagan uso de la luz, podrían producir comunicaciones que no pueden ser interceptadas.
Con una mirada hacia la seguridad del país estas soluciones muestran cómo las tecnologías fotónicas se están utilizando, ¿qué retos hay y hacia donde podrían dirigirse?.
Dando la mano
Con respecto a la biometría, el Departamento de Seguridad Nacional de EE.UU. (DHS) se enfrenta a un gran desafío, dijo Arun Vemury, gerente de un programa en la organización Science and Technology Directorate. "Tenemos que procesar datos de un gran número de personas a diario."
El grupo de personas que actualmente debe someterse a algún tipo de identificación biométrica incluye a los ciudadanos que entran en el país, detección de más de un millón de personas al día. Este número probablemente aumentará, tanto por el aumento de los viajes y de la expansión de la verificación de personas. Los datos biométricos recogidos actualmente incluyen una fotografía digital y una serie de huellas dactilares. Esto último supone una carga adicional en el DHS, porque el organismo debe realizar una verificación de la huella dactilar a unas 135000 personas que solicitan visados todos los días.
En los EE.UU. el Departamento de Seguridad Nacional está trabajando con los proveedores para desarrollar alto rendimiento y alta calidad de imagen de la huella dactilar en sistemas sin contacto. Un prototipo se muestra aquí. Cortesía de la Dirección de Ciencia y Tecnología del Departamento de Seguridad del Estado.
La velocidad y la calidad de los datos biométricos recopilados originalmente en el punto de entrada tiene un efecto significativo en el rendimiento global del sistema. Además, si el proceso de selección de entrada biométrico es demasiado lento o propenso a errores debido a la mala imagen en la adquisición,o una inclinación natural esto puede disminuir la seguridad.
Por esa razón, la calidad de la imagen es importante, Vemury afirmó "Lo que queremos es obtener la imagen de los dedos de manera eficaz a la primera vez."
Para la salud pública y argumentos de aceptación, al DHS le gustaría recoger las huellas dactilares sin contacto. Sin embargo, no dispone de sistema sin contacto, rápido y de alta calidad. Por lo tanto, la agencia está ayudando a desarrollar tecnologías que ofrecen estas capacidades, con proyectos que Vemury ha caracterizado como de alto riesgo y alta rentabilidad.
Dos técnicas se están desarrollando. Una, de GE Global Research de Niskayuna, NY (EE.UU.), incorpora un foco variable eléctricamente, se basa en la conmutación de polarización que se utiliza para crear datos en dos y tres dimensiones. La segunda tiene su origen en la investigación de la Universidad de Kentucky, en Lexington (EE.UU.) y está siendo desarrollada para DHS por FlashScan3D de Richardson, Texas (EE.UU.). BAsada en iluminación estructurada, que utiliza patrones de luz para capturar en el momento las crestas y valles de la huella dactilar por la forma en que la luz se dispersa.
Mike Troy, CEO de FlashScan3D, señaló que la iluminación utilizada no es una simple red de luz y oscuridad. "Se proyectan múltiples patrones de una sola frecuencia en fases múltiples para aumentar la precisión 3-D del sistema".
Las imágenes de huellas que se muestran son con datos 3-D (A, B), convertidos en equivalentes 2-D (C). Cortesía de la Dirección de Ciencia y Tecnología del Departamento de Seguridad de EE.UU.
Agregó que uno de los beneficios de la estructura de iluminación es que se puede hacer fuera del equipo. La mayoría de los secretos para conseguir la técnica para trabajar provienen del procesamiento de imágenes y software.
Vemury dijo que a DHS le gustaría tener un prototipo operativo de un escáner de huellas digitales sin contacto listo para su despliegue en 2011. El proyecto tiene una serie de puntos, con la decisión adoptada en cada uno de ellos para la viabilidad de un enfoque particular. Actualmente, aunque los resultados son prometedores, no se sabe si cualquiera de las dos técnicas se traducirá en una solución adecuada.
Un factor que complica la situación para cualquier escáner sin contacto en 3-D tiene que ver con la gran base de datos de huellas dactilares que se han recogido a través del tiempo por los organismos policiales. La mayoría son tradicionales e impresiones latentes, como el levantamiento de la escena del crimen. Todas son 2-D, tal y como han sido todas los recogidas hasta ahora digitalmente. Por lo tanto, estas imágenes tienen ligeramente deformadas las huellas, ya que están presionadas contra una superficie dura. Por razones de compatibilidad, estos datos deben ser convertidos al equivalente de una imagen2-D que hubiera resultado de un dedo de la mano rodando a través de una superficie.
Un prototipo de sistema para huellas dactilares sin contacto en 3-D, basadao en iluminación estructurada en primer plano, con la imagen visible en la pantalla portátil detrás. Cortesía de FlashScan3D.
A prueba de fraudes
Hay, por supuesto, otros datos biométricos, además de las huellas dactilares que se pueden capturar sin contacto y a distancia, incluyendo la cara y el reconocimiento del iris. Este último a menudo se hace con una fuente de infrarrojo cercano y un detector, en parte debido a este enfoque, se producen imágenes de las que la fina textura del iris se puede extraer más fácilmente, dijo Martin Herman, jefe de la división de acceso a la información en el National Institute of Standards and Technology (NIST) de Gaithersburg, Maryland (EE.UU.). Su grupo trabaja para desarrollar biometría para aplicaciones tales como equipo de registro de acceso a edificios. y fuerzas de seguridad.
Señaló que se escanea el iris y la verificación de la identidad se ofrece a distancia. "En algunos sistemas existentes, el iris puede estar hasta un par de metros o más de la cámara."
Uno de los problemas a los que se enfrentan los datos biométricos es que no hay un enfoque único para todos en todas las circunstancias. Las personas pueden carecer de partes del cuerpo o, simplemente, tienen características que son difíciles de distinguir. Una solución es el uso de múltiples tecnologías biométricas, tales como los sistemas que controlan tanto las huellas dactilares y diferentes rasgos faciales.
Los sistemas multimodales también ayudan a prevenir la suplantación de identidad, cuando alguien usa una ayuda para pretender pasar por otra persona. Podrían ser desarrollados a partir de huellas dactilares falsas usando gelatina o una imagen que se situa enfrente de una cámara. Múltiples datos biométricos pueden forzar a cualquier spoofer a llegar con una huella dactilar, una foto o tal vez algo más. A pesar de que contribuiría a evitar la suplantación de identidad, Herman dijo que una mejor respuesta podría ser desarrollar mejores pruebas, técnicas que eliminen a sustitutos muertos frente a una persona viva con más seguridad.
Otros sistemas biométricos sin contacto se encuentran en el rastreo de un patrón vascular , como el sistema de la empresa Identica Holdings Corp. de Tampa, Fla (EE.UU.). El escáner usa infrarrojo cercano para penetrar aproximadamente cuatro mm en el dorso de la mano, y extraer el patrón vascular que se encuentra debajo de la piel. El resultado es una firma única, con una tasa de verificación <0,5 s por persona y una tasa de falso rechazo del 0,01%.
La identificación se realiza a través del dorso de la mano. El escaneado con infrarojo próximo del patrón vascular que está por debajo de la piel sirve como una identificación biométrica. Cortesía de Identica Holdings Corp.
Otras ventajas de este enfoque es que opera con casi todo el mundo, en un entorno al aire libre y no se ve afectado por la suciedad, grasa, cicatrices, cortes u otras características de la superficie de las manos, dijo Terry Wheeler, presidente de Identica. Habida cuenta de que la empresa se dirige a un tipo de aplicaciones concreto, esta última capacidad es particularmente importante.
Nadie puede dejar inadvertidamente un patrón vascular atrás, algo que no es el caso de las huellas dactilares. Sin dejar rastros detrás puede ser más importante manteniendo la intimidad. Por otra parte, la invisibilidad conduce a otro beneficio, señaló Wheeler. "Porque no se puede dejar atrás y no se puede ver, es también imposible falsificar este tipo de información".
Los productos de la compañía recientemente fueron aprobadas por la Transportation Security Administration, que es parte de DHS, para su uso en la identificación de los trabajadores portuarios. Es el único sistema sin huella dactlar que ha sido aprobado, dijo Wheeler.
Pruebas de una toxina
Técnicas basadas en la fotónica aparecen en la configuración de seguridad del país, ya que se están empleando en el control de accesos y el cruce de fronteras. también se están usando en la detección de las toxinas que podrían ser empleadas en bioterrorismo.
Cuando se procesa correctamente, el ricino puede producir la proteína ricina, una toxina potente para la que no se conoce ningún antídoto. Se ha utilizado en algunos casos de asesinato y podría ser utilizado en un atentado terrorista, aunque hasta la fecha eso no ha ocurrido.
Un problema ha sido que los métodos de detección de ricina son lentos y laboriosos. Ahora un equipo de la Facultad de Medicina Albert Einstein de Yeshiva University, en Bronx, NY (EE.UU.), ha ideado una técnica que lleva sólo unos minutos. Asimismo, es de 100 a 1000 veces más sensible que cualquier otro método, y se puede hacer en el lugar.
Vern L. Schramm, profesor de bioquímica, explicó que él y el estudiante graduado M. B. Sturm aprovecharon una reacción que inicia la ricina en las células que mata - elimina la adenina de los ribosomas. Los investigadores convirtieron la adenina en otra molécula, adenosina trifosfato (ATP). A continuación, utilizaron ATP para generar luz a través de una reacción de luciérnaga luciferasa.
Una biomolécula intermedia del proceso también es el producto de una reacción luciferasa. Por lo tanto, se recicla, y conduce a un importante beneficio. "Esta es una cascada de amplificación, en la misma forma que vería una cascada en amplificación electrónica, por ejemplo. Una muy pequeña señal puede dar lugar a una gran salida", dice Schramm.
El resultado es fácilmente detectable, un resplandor amarillo que aparece cuando está presente la ricina. El trabjo de Sturm y Schramm figura en la edición de abril de Analytical Chemistry, donde se describe el método y se demuestra que trabajó en una pequeña molécula de sustrato de ARN, que imita la reacción de una célula humana a la ricina.
Schramm dice que los ingredientes necesarios para la prueba podría convertirse en un polvo seco. El agua y la sospechosa ricina se añaden, y con una célula fotoeléctrica se realiza la medición de la señal resultante. La intensidad de la señal producida indica la cantidad, en su caso, presente de ricina.
También se puede aplicar la técnica en medicina. La ricina unida a anticuerpos podría utilizarse para destruir las células cancerosas. El problema es que con este enfoque también se pondría en libertad la ricina, que tendría que ser contrarrestado de alguna manera.
Lo que se necesita es una manera rápida de rastrear inhibidores de la ricina. La nueva técnica de detección podría hacer justamente eso, lo que permite a los investigadores probar con rapidez muchos compuestos que tratan de desarrollar una terapia de rescate a base de ricino para el tratamiento del cáncer.
Asegurar las comunicaciones
Una última contribución de la fotónica a la seguridad del país viene en forma de comunicaciones de alta seguridad. Técnicas basadas en la mecánica cuántica permiten hacer imposible que un espía, capture un mensaje sin ser interceptado.
Hasta el momento, eso es sólo una teoría, como la aplicación efectiva se ha enfrentado a una serie de problemas prácticos. BBN Technologiess de Cambridge, Massachusetts (EE.UU.), construyó la primera red mundial de clave cuántica distribuida, aplicada en el área metropolitana con fibra óptica en el año 2003. La red utiliza la información cuántica portada por un simple fotón para distribuir una clave de cifrado en lugares remotos. La clave entonces se utiliza para cifrar la información, y la configuración presumiblemente permitiría garantizar un rápido cambio de clave, mejorando así la seguridad de las comunicaciones. BBN corrió en la red sin interrupción durante cinco años y funciona esporádicamente habrá que demostrar sus capacidades.
Jonathan L. Habif, un científico senior de la empresa BBN, señaló que utilizó distribución de fase para transportar la información cuántica, ejecutando un cambio de clave secreta, desde kilobits a decenas de bits por segundo. La tasa varía con la distancia, con la mayor posible cuando el intercambio se limita al lugar de BBN.
Habif, puntualiza que uno de los componentes, en particular, como determinante de la tasa de intercambio. "El rendimiento del sistema está limitado casi por completo por la calidad mediocre de los detectores de fotones único", explicó. "Resulta que es muy difícil de detectar un fotón único en el infrarrojo, que es lo que se tiene que hacer."
La empresa colaboró con el NIST para desarrollar superconductores detectores de un solo fotón, y dio lugar a una gran mejora en la tasa de intercambio de clave secreta. Desde entonces, han habido otras mejoras, tales como detectores únicos de semiconductores que han pasado a estar comercialmente disponibles.
Habif señaló que la ampliación de la red para cubrir más área y más nodos probablemente requeriría el desarrollo de repetidores cuánticos, dispositivos que pueden almacenar temporalmente y luego regenerar fielmente la información cuántica. Para la red y la seguridad de sus comunicaciones, la seguridad de las fuentes, detectores, y repetidores, debe ser garantizada. También hay problemas de seguridad que giran en torno a la manera de integrar una red cuántica en una red de fibra óptica existente.
Carl J. Williams, jefe de la división de física atómica en el NIST y coordinador de su programa de información cuántica, dice que el traslado de la información cuántica más que a una distancia corta requiere fotones. Por esa razón, la mejora de los dispositivos fotónicos - detectores, fuentes y similares - es crítica.
En particular los detectores, presentan un desafío, dijo. "Por el momento, parece que saben cómo hacer que los detectores, sean muy rápidos o muy eficientes, pero hacerlo al mismo tiempo sigue siendo muy difícil".
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