Впервые в истории ученые создали настоящий генератор случайных чисел

Международной группе ученых удалось создать устройство, генерирующее поток случайных чисел с помощью принципов неопределенности квантовой механики. Данная разработка, как говорят авторы, в будущем может быть использована для создания надежных систем кодирования данных.

Статья ученых в четверг, 15 апреля, была опубликована в журнале Nature.  

 Несмотря на то, что программные алгоритмы, называемые генераторами случайных чисел, используются повсеместно для кодирования данных, передаваемых через интернет, надежность такого метода все равно не абсолютна.

Причина этого кроется в том, что все физические процессы, лежащие в основе работы электроники, генерирующей случайные числа, подразумевают строгие причинно-следственные связи. Иными словами, результат любого физического процесса можно предсказать, обладая достаточным количеством данных о системе, в которой он происходит. Таким образом, зная модель кодирующего устройства и алгоритм кодирования, можно легко расшифровать данные.

  Тот самый адронный коллайдер

 

"По настоящему случайными могут быть только квантовые процессы, но даже изучая и используя их мы должны быть уверены, что система демонстрирует именно квантовые свойства и не подчиняется законам классической физики в момент измерений", - сказал один из ведущих авторов исследования, Крис Монро, сотрудник Объединенного квантового института при Мерилендском университете в США.

Таким образом, данные, зашифрованные с помощью последовательности по настоящему случайных чисел, расшифровать не зная точной их последовательности невозможно.

По настоящему случайными могут быть только квантовые процессы, но даже изучая и используя их мы должны быть уверены, что система демонстрирует именно квантовые свойства и не подчиняется законам классической физики в момент измерений" - Монро

Квантовые процессы и величины свойственны элементарным частицам, таким как протоны, электроны и фотоны света. Несмотря на то, что спектр значений, которые могут принимать те или иные параметры этих частиц (положение в пространстве или величина энергии), может быть определен заранее, каждое конкретное значение частица принимает только в тот момент, когда происходит измерение этой величины. Этот процесс носит подлинно случайный характер.

Для того, чтобы убедиться в квантовой природе тех или иных процессов при генерации последовательности случайных чисел, еще в 60-х годах был разработан алгоритм использующий характерную особенность квантовых объектов - их способность находиться в так называемом "запутанном состоянии". В этом состоянии манипуляции с одним из двух объектов, находящихся в состоянии квантового запутывания мгновенно приводят к изменению состояния второго вне зависимости от того, на каком расстоянии эти два объекта находятся друг от друга: одного метра или миллионов световых лет.

Это состояние, до сих пор не объяснимое ни с позиций классической, ни с позиций квантовой механики, тем не менее, может использоваться как подтверждение "квантовости" параметров системы, приспособленной для генерации случайных чисел.

В своей работе группа ученых, возглавляемая профессором Барселонского университета Антонио Эсином, сумела впервые использовать для генерации случайных чисел принципы неопределенности квантовой механики и сумела надежно продемонстрировать, что эти принципы в ходе работы устройства действительно соблюдаются.

Для генерации по настоящему случайных чисел ученые использовали два атома иттербия, удерживаемых в специальных ловушках, изолированных и находящихся на расстоянии одного метра друг от друга. С помощью отработанных манипуляций с единичными фотонами света ученые могли в любой момент перевести оба атома в запутанное состояние.

После этого в течение месяца группа Эсина занималась генерацией потока случайных чисел. Для этого ученые провели более трех тысяч операций по генерации квантовозапутанного состояния атомов с последующим изменением положения (поворота) в пространстве их ловушек по определенному алгоритму и измерением их внутренней самих атомов. Эта энергия, согласно параметрам эксперимента могла принимать одно из двух возможных значений, которые и использовались для кодирования состояния логического нуля и единицы. В результате такой работы ученые смогли получить последовательность из 42 подлинно случайных чисел.

"Мы можем, впервые в истории, с уверенностью говорить о том, что случайность в последовательности чисел была достигнута в ходе эксперимента без использования детализованной модели устройства" - пишут авторы исследования в своей статье

В настоящее время скорость генерации случайных чисел нашим устройством чрезвычайно низка, однако мы ожидаем, что сможем увеличить ее на несколько порядков в будущем, по мере того, как будут развиваться технологии квантового запутывания атомов, вероятно, с помощью квантовых систем, внедренных в твердотельные микросхемы" - Монро

Иными словами, процесс генерации случайных чисел в данном случае опирается только на достижение состояния квантового запутывания и проведения манипуляций с запутанными атомами, без использования данных о том, как состояние запутывания было достигнуто.

"В настоящее время скорость генерации случайных чисел нашим устройством чрезвычайно низка, однако мы ожидаем, что сможем увеличить ее на несколько порядков в будущем, по мере того, как будут развиваться технологии квантового запутывания атомов, вероятно, с помощью квантовых систем, внедренных в твердотельные микросхемы", - подытожил Монро.