Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали первый в мире генератор случайных чисел, основанный на квантовой запутанности. Данная технология обеспечивает получение совершенно случайных чисел и позволяет удостоверять их подлинность на протяжении всего процесса генерации.
До недавнего времени считалось, что разработка систем, обеспечивающих генерацию действительно случайных чисел, невозможна. Тем не менее, подобные технологии имеют решающее значение для цифровой безопасности и проведения аудитов, в которых необходима абсолютно случайная выборка данных.
Квантовая запутанность против «псевдослучайности»
Альберт Эйнштейн, размышляя о сущности случайности, сказал: « Бог не играет в кости со Вселенной». Однако квантовая физика продемонстрировала, что на субатомном уровне происходят процессы, обладающие истинной случайностью. Тем не менее, длительное время ученые не могли применять эти характеристики для разработки надежного и поддающегося проверке генератора случайных чисел.
Компьютеры используют псевдослучайные алгоритмы, которые создают лишь видимость случайности. По словам исследователей из NIST, знание принципов работы этих систем позволит злоумышленнику предсказать последовательность чисел или даже повлиять на результаты.
«Невозможно предсказать истинную случайность, вне зависимости от происходящего во Вселенной », — подчеркнул физик из NIST Кристер Шальм.
Для решения данной задачи исследователи применили принципы квантовой механики, а именно – явление квантовой запутанности. В этом состоянии изменение параметров одной частицы немедленно отражается на другой, вне зависимости от расстояния между ними. Эйнштейн называл это « жутким действием на расстоянии».
«Если предположить, что Бог использует случайность при создании Вселенной, то это может стать основой для создания наиболее совершенного генератора случайных чисел », — сказал Шальм.
CURBy, тест Белла и протокол Twine
Сотрудники NIST совместно с учеными из Университета Колорадо в Боулдере использовали генератор случайных чисел CURBy, который уже находился в разработке там. Для работы генератора применяется тест Белла: запутанные пары фотонов создаются в нелинейном кристалле, а затем измеряется их поляризация в двух удаленных лабораториях. Этот цикл повторяется 250 000 раз в секунду, и полученные данные передаются в компьютер для преобразования в последовательности из нулей и единиц.
Ученые стремились обеспечить возможность отслеживания и подтверждения каждого этапа генерации. В связи с этим был разработан протокол Twine, использующий технологию блокчейна. Для обеспечения прозрачности и безопасности каждый набор данных маркируется уникальным «хэшем» — цифровым отпечатком.
Джаспер Палфри, научный сотрудник Университета Колорадо, отметил, что Twine предоставляет возможность любому пользователю проверить данные, на которых основаны случайные числа. Также система обладает потенциалом для расширения, позволяя другим генераторам подключаться к единой сети, что может привести к формированию «глобальной системы доверия».
«Этот сервис является первым, кто применяет квантовую нелокальность для создания чисел, и в настоящее время представляет собой наиболее открытый источник случайных данных », — заявили исследователи.
Использование новой технологии открывает возможности в криптографии, статистике и других сферах, где требуется подлинная случайность.