Новости

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