Получить настоящую случайность гораздо сложнее, чем кажется: даже квантовые генераторы порой грешат микроскопическими закономерностями, способными разрушить самую надежную криптографию. Но швейцарским физикам удалось невозможное. Они заставили два сверхпроводящих кубита на расстоянии 30 метров играть в квантовую рулетку, результаты которой остаются математически непредсказуемыми на 100% до скончания времен.
Получить по-настоящему случайное число — нетривиальная задача. Бросок монеты или игральной кости лишь кажется делом случая: если знать начальную скорость, силу броска и сопротивление воздуха, результат можно предсказать с пугающей точностью. Компьютерные генераторы тоже выдают лишь псевдослучайные числа, работая по сложным, но вполне детерминированным математическим формулам.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Чтобы получить настоящую, природную непредсказуемость, ученые обычно обращаются к квантовой механике — например, направляют фотоны на полупрозрачное зеркало. Фотону предстоит «выбрать», отразиться или пройти насквозь. Этот процесс фундаментально случаен. Проблема в том, что идеальных зеркал и лазеров не существует. Из-за микроскопических дефектов оборудования один из вариантов всегда будет выпадать на крошечную долю процента чаще. Для онлайн-казино или видеоигр это не имеет значения. А вот для криптографии, где безопасность системы держится на абсолютной непредсказуемости ключей шифрования, даже минимальное отклонение превращается в уязвимость.
Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) под руководством Ренато Реннера и Андреаса Вальраффа нашли решение этой проблемы. В своей новой статье, опубликованной в журнале Nature (первый автор — Анатолий Куликов), они продемонстрировали механизм «усиления случайности» (randomness amplification). Ученые доказали, что даже из «бракованного» случайного шума можно выжать кристально чистую, идеальную случайность.
Экспериментальная установка выглядит как мечта безумного физика-экспериментатора. В ее основе — два сверхпроводящих квантовых чипа (кубита), охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю. Они находятся в разных криостатах, соединенных 30-метровой охлажденной вакуумной трубой.
Через эту трубу курсируют микроволновые фотоны, создавая между кубитами квантовую запутанность. Суть в том, что измерение состояния одного кубита (которое случайным образом выдает «0» или «1») мгновенно определяет, что покажет второй кубит на другом конце трубы.
Именно здесь 30-метровая дистанция играет ключевую роль. Измерения происходят настолько быстро, что даже свет со своей предельной скоростью не успел бы преодолеть расстояние между чипами. Это аппаратно гарантирует, что кубиты не могут тайком «обменяться информацией» о своих состояниях в момент считывания. В квантовой механике это называется закрытием локальной лазейки в тесте Белла.
Чтобы получить идеальный рандом, физики использовали обычный, несовершенный генератор случайных чисел. Он решал, под каким именно углом (в каком измерительном базисе) считывать состояния запутанных кубитов. Затем в дело вступал специальный алгоритм, который анализировал результаты этой квантовой переклички и математически «отсеивал» любые изначальные погрешности прибора.
В итоге на выходе получилась последовательность нулей и единиц, которая является случайной на 100%. И это не просто слова — физики могут это математически сертифицировать.
Как отмечает профессор Ренато Реннер, этот рубеж похож на переход через горный хребет: «Благодаря техническим улучшениям мы впервые смогли создать случайные числа, которые останутся идеально случайными целую вечность, независимо от того, какими аналитическими методами их попытаются проверить».
Зачем вообще нужны такие сложности? Авторы работы сравнивают свое изобретение с атомными часами. Если атомные часы стали абсолютным эталоном для измерения времени, то новая квантовая установка может стать «точкой отсчета» для идеальной случайности.
Эра мощных квантовых компьютеров неумолимо приближается, и надежность криптографии выходит на первый план. Защита конфиденциальных коммуникаций, цифровые подписи, правительственная связь и блокчейн-сети — всё это опирается на генераторы случайных чисел. Если злоумышленник (или квантовый алгоритм) сможет уловить малейший паттерн в том, как генерируются ключи защиты, шифрование рухнет.
Пока технология требует огромных криогенных установок, так что встроить идеальный квантовый кубик в домашний роутер не получится. Тем не менее фундаментальный барьер пробит. Человечество научилось получать идеальную непредсказуемость, гарантированную не обещаниями производителей железа, а законами самой Вселенной.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Жизнь — это случайность пространства и времени
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.