Ученые впервые в истории создали настоящий генератор случайных чисел

Ученые сумели создать устройство, генерирующее поток случайных чисел с помощью принципов неопределенности квантовой механики, что может быть использовано в будущем для создания надежных систем кодирования данных, сообщается в статье исследователей, опубликованной в четверг выпуске журнала Nature.

Несмотря на то, что программные алгоритмы, называемые генераторами случайных чисел, используются повсеместно для кодирования данных, передаваемых через Интернет, надежность такого кодирования данных 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 физической системе, в которой происходит процесс. Таким образом, зная модель кодирующего устройства и алгоритм кодирования, можно легко расшифровать данные.

"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 (Chris Monroe), 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.

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 (Antonio Acin), сумела впервые использовать для генерации случайных числе принципы неопределнности квантовой механики и сумела надежно продемонстрировать, что эти принципы в ходе работы устройства дейсвтительно 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 течении месяца группа Эсина занималась генерацией потока случайных чисел. Для этого ученые провели более 3 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

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.