Новый квантовый метод генерирует действительно случайные числа

0 696

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали метод генерации чисел, гарантированных случайной квантовой механикой. Описанный в выпуске Nature от 12 апреля, экспериментальный метод превосходит все предыдущие методы для обеспечения непредсказуемости случайных чисел и может повысить безопасность и доверие к криптографическим системам.

Новый метод NIST генерирует цифровые биты (1 и 0) с фотонами или частицами света, используя данные, полученные в улучшенной версии эксперимента NIST в 2015 году.

Случайные числа используются сотни миллиардов раз в день для шифрования данных в электронных сетях. Но эти цифры не являются достоверно случайными в абсолютном смысле. Это потому, что они генерируются программными формулами или физическими устройствами, предположительно случайный выход которых может быть подорван такими факторами, как предсказуемые источники шума.

Выполнение статистических тестов может помочь, но ни один статистический тест на выходе сам по себе не может гарантировать, что выход был непредсказуемым, особенно если кто-то вмешался в такое устройство.

«Трудно гарантировать, что данный классический источник действительно непредсказуем», – сказал математик NIST Петер Бьерхорст. «Наш квантовый источник и протокол подобно предохранителю. Мы уверены, что никто не сможет предсказать цифры».

«Что-то вроде падающей монетки может показаться случайным, но ее результат можно было бы предсказать, если бы можно было увидеть точный путь монеты, когда она падала. Квантовая случайность, с другой стороны, является реальной случайностью. Мы очень уверены, что видим квантовую случайность, потому что только квантовая система могла бы производить статистические корреляции между нашим выбором и результатами измерений».

Квантовая механика обеспечивает превосходный источник случайности, поскольку некоторых квантовых частиц (находящихся в “суперпозиции” как 0, так и 1 одновременно) имеют принципиально непредсказуемые результаты. Исследователи могут легко измерить квантовую систему. Но трудно доказать, что измерения производятся из квантовой системы, а не из классической замаскированной системы.

В эксперименте NIST это доказательство исходит из наблюдения квантовых корреляций между парами удаленных фотонов при закрытии “лазеек”, которые в противном случае могли бы позволить неслучайным битам казаться случайными. Например, две измерительные станции расположены слишком далеко друг от друга, чтобы позволить скрытую связь между ними; по законам физики любой такой обмен будет ограничен скоростью света.

Случайные числа генерируются в два этапа. Во-первых, эксперимент действия генерирует длинную строку битов через “тест Белла”, в котором исследователи измеряют корреляции между свойствами пар фотонов. Время измерений гарантирует, что корреляции не могут быть объяснены классическими процессами, такими как ранее существовавшие условия или обмен информацией со скоростью света или медленнее, чем скорость света. Статистические тесты корреляций показывают, что квантовая механика работает, и эти данные позволяют исследователям количественно оценить количество случайностей, присутствующих в длинных цепочках.

Эта случайность может быть очень тонкой на протяжении длинной строки бит. Например, почти каждый бит может быть равен 0, а всего лишь несколько – 1. Чтобы получить короткую однородную строку с концентрированной случайностью, так что каждый бит имеет вероятность 50/50 быть 0 или 1, выполняется второй этап, называемый «извлечением» . Исследователи разработали программное обеспечение для обработки данных теста Bell в более короткую последовательность бит, которые почти одинаковы; то есть с 0 и 1 одинаково вероятны.

Полный процесс требует, что входной сигнал 2 независимых строк случайных битов выбирает установки для испытаний колокола и “осеменяет” программное обеспечение для того чтобы помочь извлечь случайность от первоначально данных. Исследователи из NIST использовали обычный генератор случайных чисел для генерации таких строк.

Из 55,110,210 испытаний теста Bell, каждый из которых производит два бита, исследователи извлекли 1,024 бита, которые были равномерны в пределах одной триллионной доли 1 процента.

«Идеальный бросок монеты был бы равномерным и одинаковым, и мы сделали 1024 бита почти идеально однородными, каждый из которых был чрезвычайно близок к одинаковому шансу быть нулем или единицей», – сказал Берхорст.


Больше информации: Experimentally generated randomness certified by the impossibility of superluminal signals, Nature (2018). nature.com/articles/doi:10.1038/s41586-018-0019-0 

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x