Физики впервые создали абсолютно случайные числа с помощью квантового усиления
Новый метод квантового усиления гарантирует идеальный хаос на вечные времена
Исследователи из Цюрихского технологического института (ETH) под руководством Ренато Реннера и Андреаса Вальраффа сумели создать по-настоящему идеальные случайные числа с помощью квантовой физики. Ученые обнаружили метод, позволяющий превратить несовершенную, «смещенную» случайность в абсолютно непредсказуемую последовательность, используя квантовую запутанность и усовершенствованный тест Белла. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Nature.
Почти любая попытка получить случайное число натыкается на одну и ту же проблему: какой бы гладкой ни была игральная кость или совершенным генератор, всегда находится крошечная систематическая ошибка. Какие-то значения выпадают чуть чаще, какие-то реже. В повседневной жизни этим можно пренебречь, но в криптографии даже ничтожное смещение способно скомпрометировать всю систему защиты. Именно поэтому физики давно ищут способ добыть абсолютную случайность, такую, которую невозможно предсказать в принципе.
Группа ученых из ETH подошла к этой задаче с квантовой стороны. Вместо того чтобы пытаться изготовить идеальную монету, они решили «усилить» случайность, взяв заведомо несовершенный источник. Их установка состоит из двух сверхпроводящих чипов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Каждый чип работает как кубит, он может быть в состоянии 0, 1 или их суперпозиции. Чипы соединены тридцатиметровой охлажденной трубкой, через которую могут перелетать микроволновые фотоны.
Благодаря этому кубиты оказываются в квантово-запутанном состоянии: измерение на одном мгновенно влияет на результат измерения на другом, причем расстояние в 30 метров гарантирует, что даже свет не успел бы передать информацию между ними во время эксперимента.
Ключевым моментом стало то, что выбор типа измерения для каждого кубита исследователи определяли с помощью обычного, несовершенного генератора случайных чисел. А затем, анализируя результаты запутанных измерений, они применили специальный алгоритм, который «выжимает» из полученных данных последовательность, свободную от какой-либо корреляции или смещения. Это и есть тот самый метод усиления случайности, который они называют квантовым эквивалентом вечного двигателя для случайных чисел.
Суть метода более подробно
Чтобы понять суть метода «усиления случайности», о котором говорят исследователи из ETH, нужно представить себе не просто генератор чисел, а своего рода «квантовый очиститель», который превращает грязную, слегка предвзятую случайность в стерильно чистую.
Давайте разберем этот процесс по шагам, избегая сложных формул, но сохраняя физическую суть.
Почему просто «взять квантовый процесс» недостаточно
Многие думают, что квантовая механика по определению дает идеальный случай. Это не совсем так. Например, если вы направите фотон на полупрозрачное зеркало, он действительно отразится или пройдет случайным образом. Однако это зеркало может быть чуть-чуть грязным или асимметричным, и тогда фотон будет проходить не строго в 50% случаев, а в 50,00001%. Это «смещение» незаметно в быту, но смертельно для криптографии.
Поэтому подход ученых заключается в другом: не пытаться сделать идеальный источник, а взять любой неидеальный и математически «вытянуть» из него абсолютную случайность. Для этого им понадобились три ингредиента: запутанность, тест Белла и алгоритм сжатия.
Ингредиент 1: Квантовая запутанность как «случайный мост»
В центре установки — два сверхпроводящих кубита, разнесенных на 30 метров и охлажденных почти до абсолютного нуля. Между ними «летают» микроволновые фотоны, которые связывают кубиты в единое целое. Это и есть запутанность.
Самое важное свойство запутанности для этого эксперимента — нелокальность. Если два кубита запутаны, то результат измерения на первом кубите (0 или 1) не просто случаен, но и мгновенно определяет результат на втором, причем связь быстрее скорости света. Расстояние в 30 метров здесь критично: оно гарантирует, что во время измерения никакой сигнал (даже световой) не успеет передаться от одного кубита к другому. Это исключает возможность «скрытого сговора» между ними.
Ингредиент 2: Тест Белла как детектор чистоты
И тут вступает в дело усовершенствованный тест Белла. В обычной жизни этот тест используется, чтобы доказать, что мир действительно квантовый, а не «скрыто-детерминированный». Но здесь у него другая роль, так сказать контроль качества.
Ученые подают на вход системы несовершенные случайные числа (скажем, с легким смещением в пользу единиц). Эти числа определяют, в каком «базисе» (под каким углом) они будут измерять каждый из двух запутанных кубитов. Если бы система была классической или если бы в ней была скрытая систематическая ошибка, то результаты измерений нарушили бы определенное неравенство (неравенство Белла). Но квантовая запутанность это неравенство нарушает, причем строго предсказуемым образом.
Если экспериментаторы видят нужное нарушение, они получают математическое доказательство, что в их системе нет скрытых закономерностей. Более того, величина этого нарушения позволяет оценить, сколько «нечистоты» осталось в случайности.
Ингредиент 3: Алгоритм усиления (квантовое сжатие)
Это самый хитрый шаг. Представьте, что у вас есть длинная лента с битами, где вероятность единицы не ровно 1/2, а, скажем, 1/2 + ε. Как получить из этой ленты идеальную монетку? В классической информатике есть процедура «извлечения случайности», но она работает только если вы точно знаете, насколько велико смещение ε.
В квантовом случае у ученых есть преимущество: они знают, что смещение возникло из-за единственного источника: несовершенного выбора базиса измерения. А сам процесс измерения запутанных кубитов дает им доступ к квантовой энтропии — фундаментальной «неопределенности» природы.
Алгоритм, который использовала команда ученых, действует как математический пресс. Он берет длинную последовательность слегка смещенных битов, группирует их в блоки и применяет специальную функцию (наподобие свертки или хеширования). В результате несколько входных битов сжимаются в один выходной бит, но при этом любая скрытая закономерность взаимно уничтожается, а чисто квантовая случайность усиливается.
Представьте, что у вас есть два слегка смещенных кубика, которые падают не строго случайно, а немного тяготеют к шестерке. Если вы будете кидать их одновременно и записывать только факт: «выпали одинаковые числа» или «разные», вы получите почти идеальную монетку, где предвзятость исходных кубиков исчезает. Алгоритм ученых делает нечто подобное, но на уровне квантовых состояний и с гарантией, оставленной на всю вечность.
Почему это революция, а не просто очередной генератор
Раньше все квантовые генераторы случайных чисел были «доверительными». Вы верили, что производитель правильно сконструировал зеркало или фотонный детектор. Если же внутри прибора была закладка (или просто незаметный брак), вы получали предсказуемую последовательность, выдавая ее за случайную.
Метод ETH сертифицируемый. Выполнив тест Белла в процессе генерации, вы получаете не просто числа, а физический сертификат их абсолютной случайности. Вам не нужно верить создателям установки, вы можете проверить результат сами прямо во время работы. Это как если бы вы могли не просто пользоваться часами, а каждый раз сверять их с самим распадом атома, не выходя из комнаты.
Именно поэтому ученые называет это «атомными часами для случайности» — это эталон, к которому можно апеллировать.
Исследователи сравнивают результат с пересечением горного хребта — технические усовершенствования позволили впервые создать числа, которые останутся совершенно случайными навсегда, какие бы аналитические методы к ним ни применяли. Они подчеркивают, что в основе метода лежит улучшенный тест Белла, который обеспечивает и высокое качество случайности, и высокую скорость ее генерации.
В результате ученые не просто получили очередной генератор случайных чисел, а создали физически сертифицированный источник абсолютной случайности. В будущем такие устройства могут стать для цифровой безопасности тем же, чем атомные часы стали для измерения времени — эталоном, на который смогут полагаться системы шифрования, цифровые подписи, блокчейн-платформы и даже обычные лотереи. Самое главное: теперь случайность можно не только создавать, но и доказуемо подтверждать, что делает криптографическую защиту по-настоящему надежной.
Научная публикация:
Kulikov, A., Storz, S., Schär, J.D. et al. Experimental randomness amplification. Nature 653, 1033–1038 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10521-8
Присоединяйтесь к нам в соцсетях
