Новий квантовий метод генерує справді випадкові числа

Дослідники з Національного інституту стандартів та технологій (NIST) розробили метод генерації чисел, гарантованих квантовою механікою випадковим чином. Описаний у випуску «Nature» від 12 квітня експериментальний метод перевершує всі попередні методи забезпечення непередбачуваності випадкових чисел і може підвищити безпеку і довіру до криптографічних систем.

Новий метод NIST генерує цифрові біти (1 та 0) з фотонами або частинками світла, використовуючи дані, згенеровані у покращеній версії важливого фізичного експерименту NIST 2015 року. Цей експеримент переконливо показав, що те, що Ейнштейн висміяв як «жахливу дію на відстані», є реальним. У новій роботі дослідники обробляють моторошний висновок, щоб сертифікувати і кількісно визначити випадковість, наявну в даних, і згенерувати рядок з більшої кількості випадкових бітів.

Випадкові числа застосовуються сотні мільярдів щодня для шифрування даних в електронних мережах. Але ці числа є випадковими в абсолютному сенсі. Це тому, що вони генеруються програмними формулами або фізичними пристроями, чиї, ймовірно, випадкові вихідні дані можуть бути підірвані такими факторами, як передбачувані джерела шуму. Виконання статистичних тестів може допомогти, але жодний статистичний тест тільки на виході не може абсолютно гарантувати, що результат був непередбачуваним, особливо якщо зловмисник підробив пристрій.

«Важко гарантувати, що це класичне джерело справді непередбачуване», - сказав математик NIST Пітер Бірхорст. «Наше квантове джерело та протокол схожий на відмовостійке. Ми впевнені, що ніхто не може передбачити наші цифри».

«Щось подібне до кидка монети може здатися випадковим, але його результат можна було б передбачити, якби можна було побачити точний шлях монети під час її падіння. З іншого боку, квантова випадковість – це справжня випадковість. Ми впевнені, що бачачи квантову випадковість, тому що тільки квантова система може зробити ці статистичні кореляції між нашими вимірами та результатами».

Новий квантово-орієнтований метод є частиною постійної роботи з покращення маяка публічної випадковості NIST, який транслює випадкові біти для таких програм, як безпечні багатопартійні обчислення. Маяк NIST нині спирається на комерційні джерела.

Квантова механіка забезпечує чудове джерело випадковості, тому що виміри деяких квантових частинок (в "суперпозиції" одночасно і 0, і 1) мають принципово непередбачувані результати. Дослідники можуть легко виміряти квантову систему. Але важко довести, що виміри проводяться в квантовій системі, а не в прихованій класичній системі.

В експерименті NIST цей доказ приходить від спостереження моторошних квантових кореляцій між парами віддалених фотонів при закритті "лазівок", які в іншому випадку могли б дозволити випадковим бітам здаватися невипадковими. Наприклад, дві вимірювальні станції розташовані надто далеко один від одного, щоб забезпечити прихований зв'язок між ними; за законами фізики будь-який такий обмін буде обмежено швидкістю світла.

Випадкові числа генеруються у два етапи. По-перше, експеримент із «лякаючою дією» генерує довгий ланцюжок бітів за допомогою «тесту Белла», в якому дослідники вимірюють кореляції між властивостями пар фотонів. Час проведення вимірювань гарантує, що кореляції не можуть бути пояснені класичними процесами, такими як умови, що існували раніше, або обмін інформацією на швидкості світла або повільніше, ніж швидкість світла. Статистичні тести кореляцій демонструють, що квантова механіка працює, і ці дані дозволяють дослідникам кількісно визначити кількість випадковості, що присутня у довгому ланцюжку бітів.

Ця випадковість може бути дуже тонкою по всьому довгому ланцюжку бітів. Наприклад, майже кожен біт може дорівнювати 0, а деякі з них рівні 1. Щоб отримати короткий однорідний рядок з концентрованою випадковістю, так щоб кожен біт мав ймовірність 50/50 бути 0 або 1, другий крок, званий «вилученням», являє собою виконала. Дослідники NIST розробили програмне забезпечення для обробки тестових даних Белла у вигляді більш короткої послідовності бітів, яка майже однорідна; тобто з 0 та 1 однаково ймовірні. Повний процес вимагає введення двох незалежних рядків випадкових бітів, щоб вибрати параметри вимірювання для тестів Белла і «заповнити» програмне забезпечення, щоб допомогти вилучити випадковість з вихідних даних. Дослідники NIST використовували звичайний генератор випадкових чисел для створення цих вхідних рядків.