Ученые создали уникальный генератор случайных чисел на основе квантовой запутанности
Специалисты Национального института стандартов и технологий (NIST) разработали первый в мире генератор случайных чисел, использующий квантовую запутанность. Эта технология позволяет не только получать абсолютно случайные числа, но и подтверждать их подлинность на каждом этапе генерации.
Ранее создание систем, способных гарантированно генерировать истинно случайные числа, считалось невозможным. Однако такие технологии крайне важны для цифровой безопасности, а также для проведения аудитов, где требуется абсолютно случайная выборка данных.
Квантовая запутанность против «псевдослучайности»
Альберт Эйнштейн, рассуждая о природе случайности, заявил: «Бог не играет в кости со Вселенной». Однако квантовая физика доказала, что на субатомном уровне существуют процессы, которые действительно случайны. Несмотря на это, долгое время ученые не могли использовать эти свойства для создания надежного и проверяемого генератора случайных чисел.
Обычные компьютеры используют псевдослучайные алгоритмы, которые лишь имитируют случайность. Как пояснили исследователи NIST, если злоумышленник знает принцип работы такой системы, он может предсказать следующие числа или даже манипулировать результатами.
«Истинная случайность — это то, что невозможно предсказать заранее, что бы ни происходило во Вселенной», — отметил физик NIST Кристер Шальм.
Чтобы решить эту проблему, ученые обратились к квантовой механике, в частности, к явлению квантовой запутанности. При этом состоянии изменение одной частицы мгновенно влияет на другую, даже если они находятся на огромном расстоянии. Эйнштейн называл это «жутким действием на расстоянии».
«Если Бог все-таки играет в кости со Вселенной, то мы можем превратить это в лучший генератор случайных чисел, который только возможен», — сказал Шальм.
CURBy, тест Белла и протокол Twine
Исследователи NIST сотрудничали с коллегами из Университета Колорадо в Боулдере, где уже работал генератор случайных чисел CURBy. Он использует так называемый тест Белла: пары запутанных фотонов создаются в нелинейном кристалле, после чего их поляризация измеряется в двух разных лабораториях. Этот процесс повторяется 250 000 раз в секунду, а результаты передаются в компьютер, который преобразует их в последовательности из нулей и единиц.
Однако ученые хотели добавить возможность отслеживать и подтверждать каждый этап генерации. Для этого они разработали протокол Twine, основанный на технологии блокчейна. Каждый набор данных помечается уникальным «хэшем» — цифровым отпечатком, который обеспечивает прозрачность и безопасность.
Джаспер Палфри, научный сотрудник Университета Колорадо, пояснил, что Twine позволяет любому пользователю проверить данные, лежащие в основе каждого случайного числа. Кроме того, система может быть расширена, чтобы другие генераторы могли присоединиться к общей сети, создавая «глобальную систему доверия».
«Это первый сервис, использующий квантовую нелокальность для генерации чисел, и на сегодняшний день самый прозрачный источник случайности», — заявили исследователи.
Новая технология открывает перспективы для криптографии, статистики и других областей, где критически важна истинная случайность.