Wissenschaftler haben die schnellste Methode zur Erzeugung von Quantenzufallszahlen vorgestellt
Wissenschaftler von NUST MISIS, dem russischen Quantenzentrum, haben als Teil einer internationalen Forschungsgruppe den schnellsten und kostengünstigsten Quanten-Zufallszahlengenerator entwickelt. Das erstellte Gerät generiert Zufallszahlen mit einer Geschwindigkeit von 8,05 GB pro Sekunde und bestätigt deren Zufälligkeit in Echtzeit. Die Technologie kann die Grundlage für die Herstellung kommerzieller Zufallszahlengeneratoren für die Kryptographie und für die Modellierung komplexer Systeme bilden. Die Forschungsergebnisse werden in der Zeitschrift Physics Review X veröffentlicht.
Zufallszahlengeneratoren sind ein wichtiger Bestandteil vieler Algorithmen, einschließlich Verschlüsselungs- und numerischer Simulationsalgorithmen. Sie werden auch bei der Entwicklung von Computerspielen und Spielautomaten verwendet. Durch die Verwendung der Zufallszahlengenerierung können Sie Verschlüsselungsschlüssel erstellen, um Informationen während der Übertragung zu schützen. Darüber hinaus können Zufallszahlengeneratoren die Fähigkeiten der künstlichen Intelligenz erheblich verbessern.
Obwohl die vom Computer generierten Zahlen auf den ersten Blick zufällig erscheinen, können sie nicht als wirklich zufällig bezeichnet werden. Dies bedeutet, dass es in vielen Fällen immer noch möglich ist, vorherzusagen, welche Nummer der Computer geben wird. Daher ist die Nicht-Zufälligkeit von Zufallszahlen ein Risikofaktor bei der Erstellung von Verschlüsselungsprotokollen zum Schutz von Informationen.
Auf der Suche nach einer Lösung für dieses Problem wenden sich Wissenschaftler zunehmend den Methoden der Quantenmechanik zu, da die Ergebnisse von Quantenmessungen nicht mit Sicherheit vorhergesagt werden können, wodurch sie Zahlen generieren können, die als wirklich zufällig bezeichnet werden können.
Die neue Methode zur Erzeugung wirklich zufälliger Zahlen, die von Wissenschaftlern von NUST MISIS, RCC, der Universität Oxford, dem Goldsmiths College und der Freien Universität Berlin vorgeschlagen wurde, basiert auf der Verwendung von Quanteneigenschaften von Photonen. Die von dem von ihnen entwickelten optischen Generator erzeugten Zahlen werden in Echtzeit zertifiziert, um die Quantennatur ihrer Erzeugung zu bestätigen.
Mit Quantenprozessen können Sie Zahlen erzeugen, deren Zufälligkeit durch die Gesetze der Physik garantiert wird. Geräte zur Erzeugung von Zufallszahlen, die auf der Grundlage von Quantenprinzipien entwickelt wurden, haben eine Reihe wichtiger praktischer Anwendungen - betont Alexey Fedorov, einer der Autoren der Studie, Leiter der wissenschaftlichen Gruppe des RCC, Leiter des Labors des NTI Quantum Communications Center bei NUST MISIS.
Während des Experiments richteten Wissenschaftler Strahlung von einer Quelle, die als nicht vertrauenswürdig angesehen wird, auf einen der beiden Eingangsanschlüsse des Strahlteilers, während der zweite Anschluss leer blieb und Vakuum als Eingang "nahm". An den Ausgängen des Strahlteilers wurden Detektoren installiert, die die Anzahl der in sie eintretenden Photonen aufzeichneten. Da jedes an einem symmetrischen Strahlteiler ankommende Photon mit der gleichen Wahrscheinlichkeit an einem der beiden Ausgänge des Strahlteilers erfasst werden kann, kann der Unterschied in der Anzahl der an den Detektoren ankommenden Photonen nicht vorhergesagt werden - es handelt sich um einen Zufallswert.
Um die Zuverlässigkeit dieser Methode zur Erzeugung von Zufallszahlen sicherzustellen, haben die Forscher auch die Anzahl der Photonen in der einfallenden Lichtquelle gemessen. Es sollte nicht zu wenige von ihnen geben - in diesem Fall reicht die Anzahl möglicher unvorhersehbarer Ereignisse nicht aus, um die wahre Natur der Zufälligkeit zu bestätigen. Es sollten auch nicht zu viele vorhanden sein, da sonst die Detektoren gesättigt werden und die Messergebnisse vorhersehbar werden.
Während des Experiments haben Wissenschaftler ein Gerät entwickelt, das nicht nur Zufallszahlen mit einer Geschwindigkeit von 8,05 GB pro Sekunde generiert. Damit ist es das schnellste dieser Geräte, sondern garantiert auch die Zufälligkeit dieser Zahlen in Echtzeit. Die Prototypen solcher Geräte, die zuvor hergestellt wurden, hatten eine um mehrere Größenordnungen niedrigere Geschwindigkeit. Für das Experiment wurde ein spezielles System zur schnellen Nachbearbeitung von Messergebnissen erstellt.
Laut den Autoren der Studie könnte aufgrund dieses Zertifizierungsprozesses in Verbindung mit der Verwendung verfügbarer Komponenten die von ihnen entwickelte Technologie die Grundlage für die Herstellung kommerzieller Zufallszahlengeneratoren mit einem breiten Anwendungsspektrum bilden. Hohe Betriebsgeschwindigkeit, Praktikabilität und Zuverlässigkeit können dem Gerät eine breite Anwendung in Kryptographie, Informatik, Statistik, wissenschaftlicher Forschung und anderen Bereichen bieten.
Zum Beispiel hat Samsung kürzlich ein Mobiltelefon mit einem Quanten-Zufallszahlengenerator eingeführt, das die Nachfrage nach dieser Technologie auf dem Massenmarkt anzeigt.