Идеальный хаос
Исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) продемонстрировали способ генерации «идеальной случайности», используя запутанные сверхпроводящие кубиты.
Создать по-настоящему истинную случайность невероятно сложно. Даже самые сложные традиционные генераторы случайных чисел могут нести в себе крошечные, незаметные на первый взгляд статистические искажения. Если в большинстве бытовых применений эти смещения безвредны, то в криптографии, где безопасность зашифрованных систем зиждется на полной непредсказуемости, даже самая тонкая закономерность способна стать фатальной уязвимостью.
Команда из ETH Zurich под руководством профессоров физики Ренато Реннера и Андреаса Вальраффа заявила, что им удалось преодолеть этот фундаментальный изъян и создать абсолютно случайные числа, используя законы квантовой физики. Это достижение они описывают как первую в истории сертифицированную реализацию совершенной случайности.
Укрощение строптивых кубитов
Традиционные генераторы случайных чисел часто полагаются на такие физические процессы, как поведение фотонов, но эти системы всё равно могут давать едва заметный перекос и демонстрировать систематическую ошибку, из-за которой одни числа появляются чаще других. Подход команды из Цюриха использует квантовую запутанность, чтобы вывести случайность за пределы этого ограничения.
В основе эксперимента лежат две сверхпроводящие микросхемы, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю. Каждая микросхема действует как кубит — квантовый аналог двоичного бита. Чипы соединены 30-метровой трубой, которая также подвергнута сверхглубокому охлаждению. Это позволяет микроволновым фотонам курсировать между ними и создавать запутанность — то самое «призрачное» квантовое состояние, при котором две частицы становятся настолько взаимосвязанными, что измерение одной мгновенно влияет на состояние другой.
Разнеся кубиты почти на 30 метров друг от друга, исследователи гарантировали, что в момент измерения даже сигналы, движущиеся со скоростью света, не успеют преодолеть расстояние между ними и повлиять на исход. Говоря языком квантовой физики, это помогает сохранить целостность запутанности и предотвращает нежелательную коммуникацию, способную испортить чистоту случайности.
Затем команда взяла заведомо несовершенный генератор случайных чисел, чтобы выбрать базис для измерения состояний кубитов. После проведения квантового измерения они применили специальный алгоритм, усиливающий случайность в полученных результатах. Ключевая идея заключается в том, что квантовая система способна очистить входные данные от предвзятости и произвести выходную последовательность нулей и единиц, случайность которой является сертифицированной. Это означает, что её непредсказуемость не просто предполагается или выводится из стандартных статистических тестов — она гарантирована законами физики.
Прикладная энтропия
Новый метод также значительно снижает вычислительные затраты. Как сообщил Реннер в интервью Live Science по электронной почте, сама природа процесса исключает сложные расчёты.
«Наш метод на самом деле не требует вычислений, — пояснил Реннер. — Вся случайность генерируется путём измерения квантовых битов. В этом смысле вычислительная стоимость нашего подхода пренебрежимо мала по сравнению с генераторами псевдослучайных чисел».
Исследователи утверждают, что результат остаётся идеальным для всех практических и аналитических целей, независимо от того, какими методами его попытаются оценить в будущем. Мы стоим на пороге новой эры, где случайность перестает быть абстрактной математической концепцией, а становится измеримой физической величиной. Если раньше мы могли лишь верить в хаотичность процессов, то теперь у нас появляется прибор, который можно назвать «атомными часами» для мира энтропии — физически надёжный эталон, на который смогут полагаться другие системы.
Потенциальные сферы применения огромны: от шифрования сообщений и создания неуязвимых цифровых удостоверений личности до проведения абсолютно честных лотерей и операций в блокчейн-сетях. Реннер особо отметил, что их разработка будет наиболее востребована в сетевых архитектурах будущего. «Наш эксперимент окажется максимально полезным в сетях, где каждый узел имеет доступ к «серверу», который реализует этот принцип для производства случайности», — подытожил учёный, намекая на то, что в скором времени квантовая запутанность станет коммунальной услугой, такой же привычной, как электричество или доступ в интернет.
