Квантовые случайные числа устанавливают новый стандарт точности

• Ученые генерируют абсолютные случайные числа с помощью квантовой механики. 
• Техника предполагает создание цифровых битов с частицами света, фотонами.
• В конечном итоге это может улучшить криптографические системы и системы безопасности. 

Ученые из NIST (Национального института стандартов и технологий) разработали новую технику для генерации более ценных случайных чисел с помощью квантовой механики. Теперь непредсказуемость случайных чисел превосходит все ранее использовавшиеся методы, повышая эффективность систем криптографии и безопасности.

Вы спросите, в чем проблема существующих систем? Ну, они не генерируют случайное число в абсолютном смысле. Число, случайно полученное с помощью машинных или программных формул, может быть искажено многочисленными факторами, включая предсказуемые источники шума. Вы можете проводить статистические тесты, но ни один тест на результат сам по себе не может гарантировать, что результат был непредсказуемым.

Случайные числа ежедневно используются миллиарды раз для шифрования частной информации в электронных сетях. Но поскольку никто не может гарантировать, что обычный источник действительно непредсказуем, это ограничивает эффективность систем безопасности. Это что-то вроде подбрасывания монеты:кажется случайным, но результат можно предсказать, если проследить путь монеты во время ее падения.

Однако новый метод основан на квантовом источнике и протоколе. И исследователи почти уверены, что никто не может предсказать результаты, основанные на квантовых технологиях. Только квантовая машина могла бы генерировать статистические корреляции между результатами и вариантами измерений.

Как это работает?

Новая техника предполагает создание цифровых битов (0 и 1) с частицами света, фотонами. Он основан на предыдущем эксперименте NIST «жуткие действия на расстоянии реальны», который убедительно подтвердил ключевое предсказание квантовой механики. Однако новая работа создает строку из гораздо более реальных случайных битов.

В частности, для генерации случайных чисел используется тест Белла «без лазеек», характеризующийся пространственным разделением и эффективностью обнаружения измерительных станций во время экспериментальных испытаний.

Неравенства Белла

Следующее, что нужно понять, — это тест Белла, в котором измерения проводятся в запутанной системе с модулями, размещенными на двух отдельных измерительных станциях. На каждой станции осуществляется выбор (между одним из двух типов измерений).

Если после нескольких испытаний данные измерений нарушают определенные сценарии, называемые «неравенства Белла», тогда данные подтверждаются как случайные при слабых предположениях.

Все биты непредсказуемы, если принять во внимание два ключевых момента –

1. Настройки измерений не зависят от устройств и существующих классических данных о них.
2. В каждом экспериментальном испытании результаты измерений на каждой станции не зависят от конфигураций на другой станции.

Первый из них непроверяем, но, поскольку параметры измерения можно выбирать самостоятельно, он часто вызывает необходимость интерпретации нескольких законов физики и научных экспериментов. Второй пункт может быть нарушен только в том случае, если сигналы можно будет передавать быстрее скорости света.

Ссылка:Природа | doi:10.1038/s41586-018-0019-0 | НИСТ

Создание случайного числа

Процесс генерации случайных чисел можно разделить на два этапа – генерацию длинной строки и извлечение.

Сначала исследователи использовали жуткий эксперимент, чтобы создать длинную строку битов с помощью теста Белла. Они рассчитали корреляции между свойствами пар фотонов. Фактор времени гарантирует, что корреляции не могут быть продемонстрированы традиционными процессами, такими как существующие сценарии или обмен данными со скоростью, меньшей скорости света.

Квантовая механика была проверена с помощью статистических тестов, и эта информация позволила ученым количественно оценить случайность в длинной строке.

Изображение предоставлено Шалмом/НИСТ

Как вы можете видеть на экспериментальной установке, лазерный луч попадает в уникальный кристалл и преобразуется в пары фотонов, которые переплетаются. Далее фотоны вычисляются для генерации строки абсолютных случайных чисел. 

Однако случайность не могла быть должным образом распределена по всей строке. Например, почти все биты могут быть равны 1, а ни один из них или очень немногие равны 0. Чтобы получить однородную небольшую строку с реальной случайностью (в которой каждый бит имеет вероятность 0,5 быть 1 или 0), исследователи выполняют второй шаг — извлечение.

Они разработали специальное программное обеспечение для преобразования данных испытаний Белла в меньшую однородную строку.

Весь метод требует двух независимых строк (содержащих случайные биты, сгенерированные традиционными методами) для выбора конфигураций измерений для тестов Белла и подачи программного обеспечения, которое извлекает случайность из исходных данных.

Читайте:Какое самое большое известное простое число | Это 23 миллиона цифр

Всего они собрали 5 наборов данных, лучший из которых дал 1024 случайных бита, равномерно распределенных в пределах 10–12, то есть 1 триллионную долю 1%.

На сегодняшний день это лучший метод физической генерации случайных чисел, тем самым повышающий безопасность и расширяющий спектр приложений.



Моделирование окружающей среды с графическим ускорением превосходит суперкомпьютеры Новый искусственный интеллект Google распознает отдельные голоса в людных местах