Впервые физики добились истинной случайности
Получить настоящую случайность на удивление сложно. Даже современные генераторы случайных чисел никогда не выдают идеальные последовательности — из-за малых систематических погрешностей одни цифры могут появляться чуть чаще других. В большинстве применений это не имеет существенного значения. Однако в криптографии даже мельчайшие отклонения способны стать проблемой.
В Швейцарской высшей технической школе Цюриха (ETH Zurich) провели квантовый эксперимент, в котором впервые реализовали усиление случайности из заведомо несовершенного источника в аппаратно-независимом режиме с закрытием всех лазеек. Результаты работы опубликованы в Nature.
Они впечатляют даже несведущих. Получены ~20 миллионов бит с уровнем безопасности 10⁻¹² — или, иными словами, ошибка возможна в одном случае на триллион.
«Как ни странно, создать идеальную монету или идеальную игральную кость почти невозможно. Какой бы симметричной и гладкой ни была кость, после броска одна из шести ее граней все равно будет выпадать чуть чаще остальных», — объясняет профессор Ренато Реннер, возглавляющий в ETH Zurich Институт теоретической физики.
«Даже современные генераторы случайных чисел, работающие на квантовых эффектах вроде отражения фотонов от светоделителей, не полностью защищены от таких систематических ошибок, или, иначе говоря, "смещения"», — добавляет профессор Андреас Вальрафф, в лаборатории которого проводились захватывающие эксперименты.
Вместе с коллегами из других заведений они разработали метод усиления случайности, который позволяет брать несовершенную случайность и все равно извлекать из нее идеально случайные числа. «Это стало возможным благодаря улучшенному так называемому тесту [неравенства] Белла, который одновременно обладает высоким качеством и высокой скоростью сбора данных», — говорит Валльраф.
Экспериментальная установка состоит из двух кубитов — сверхпроводящих чипов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Они соединены 30-метровым волноводом, также остуженным до сверхнизкой температуры.
Микроволновые фотоны могут перелетать между чипами туда и обратно, создавая тем самым квантовую запутанность. Это означает, что измерение, проводимое над одним кубитом и случайным образом дающее значение «0» или «1», автоматически и на расстоянии влияет на состояние второго кубита. Расстояние в 30 метров гарантирует, что во время измерения даже световой сигнал не успеет перенести информацию между кубитами — иначе совершенная случайность была бы нарушена.
Выбор конкретного типа измерения (на техническом жаргоне — «базиса измерения») на двух кубитах сделан зависимым от несовершенного генератора случайных чисел; для усиления случайности результатов измерений разработан специальный алгоритм.
«Получившаяся последовательность из нулей и единиц теперь действительно идеально случайна, и мы даже можем это строго подтвердить», — подчеркивает Реннер.
Это достижение он сравнивает с преодолением горного хребта: «Технические усовершенствования позволили нам впервые создать случайные числа, которые останутся абсолютно случайными на все времена — какими бы аналитическими методами ни пытались оценить их случайность».
В долгосрочной перспективе эта работа может сыграть в цифровой безопасности ту же роль, что атомные часы — в отсчете времени: стать физически подтвержденным источником случайности, на который смогут полагаться другие системы. Области возможного применения простираются от шифрования конфиденциальных переписок и цифровых идентификаторов до публичных сервисов случайности для лотерей и блокчейн-приложений.
Такие методы могут также стать базой для квантово-защищенных систем связи. Ведь даже самые стойкие криптографические алгоритмы надежны ровно настолько, насколько случайны числа, на которых они основаны — чем выше качество случайности, тем надежнее шифрование; если же случайность оставляет желать лучшего, вся система становится уязвимой.
