Квантовые случайные числа устанавливают новый стандарт точности

Ученые генерируют абсолютно случайные числа с использованием квантовой механики.

Техника включает создание цифровых бит с частицами света — фотонами.

Она может в конечном счете улучшить криптографические и системы безопасности.

Как это работает?

Новая техника включает создание цифровых бит (0 и 1) с частицами света — фотонами. Она основана на предыдущем эксперименте NIST «жуткое действие на расстоянии реально», который сильно поддержал ключевое предсказание квантовой механики. Новая работа, однако, производит строку гораздо более реальных случайных бит.

Более конкретно, генерация случайности использует «безлазейный» тест Белла, характеризующийся пространственно-подобным разделением и эффективностью детекции станций измерения во время экспериментальных испытаний.

Неравенства Белла

Следующее, что нужно понять — это тест Белла, в котором измерения проводятся на запутанной системе с модулями, помещенными в две отдельные станции измерения. На каждой станции делается выбор (между одним из двух типов измерений).

Если данные измерений нарушают определенные сценарии, называемые «неравенствами Белла», после множественных испытаний, то данные сертифицируются как имеющие случайность при слабых предположениях.

Все биты непредсказуемы при двух ключевых пунктах:

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

Первый не проверяем, но поскольку можно выбирать настройки измерений независимо, он часто вызывается в интерпретации нескольких законов физики и научных экспериментов. Второй пункт может быть нарушен только если сигналы могут передаваться быстрее скорости света.

Генерация случайного числа

Процесс генерации случайного числа можно разделить на два шага — генерацию длинной строки и извлечение.

Сначала исследователи использовали эксперимент «жуткого действия» для создания длинной строки бит через тест Белла. Они вычислили корреляции между свойствами пар фотонов. Временной фактор гарантирует, что корреляции не могут быть продемонстрированы традиционными процессами, такими как существующие сценарии или обмен данными со скоростью меньше скорости света.

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

Однако случайность не могла быть правильно распределена по всей строке. Например, почти все биты могли быть 1 с нулем или очень малым числом 0. Чтобы получить единую, маленькую 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 теста Белла в меньшую, единую строку.

Общий метод требует 2 независимых строк (содержащих случайные биты, сгенерированные традиционными методами) для выбора конфигураций измерений для тестов Белла и для подачи в программное обеспечение, которое извлекает случайность из исходных данных.

Они собрали всего 5 наборов данных, лучший из которых дал 1024 случайных бита, равномерно распределенных в пределах 10^-12, то есть 1 триллионную часть 1%.

На сегодняшний день это лучший метод для физической генерации случайности, тем самым повышая безопасность и широкий спектр приложений.