Najszybszy na świecie generator liczb losowych kwantowych zaprezentowany w Chinach

Prywatność jest jedną z najbardziej cenionych cech społeczeństwa. Możliwość wysyłania prywatnych wiadomości i przeprowadzania transakcji finansowych bez obawy, że będą monitorowane, leży u podstaw wielu działań rządowych, wojskowych i handlowych.

Jedną z technologii, która pozwala to zrobić doskonale, jest kryptografia kwantowa, która wymaga potężnego źródła liczb losowych.

Ale jest problem. Liczby losowe są zaskakująco trudne do wygenerowania w dużych ilościach. Jednym z najlepszych źródeł jest świat kwantowy, który jest zasadniczo losowy. Ale najlepsze dostępne na rynku kwantowe generatory liczb losowych wytwarzają je tylko z prędkością miliona na sekundę, znacznie mniej niż dziesiątki miliardów na sekundę, których wymaga wiele aplikacji.

Dziś wygląda na to, że zmieniło się to dzięki pracy You-Qi Nie z Narodowego Laboratorium Nauk Fizycznych Hefei w Chinach i kilku kumplom, którzy twierdzą, że zbudowali kwantowy generator liczb losowych, który jest w stanie wyprodukować 68 miliardów z nich na sekundę. Mówią, że ta technika powinna usunąć ważną barierę uniemożliwiającą rządom, wojsku i reszcie z nas czerpanie korzyści z doskonałego bezpieczeństwa.

Liczby losowe muszą być nieprzewidywalne i niepowtarzalne, co wyklucza generowanie ich za pomocą zwykłych procesów algorytmicznych, które są przewidywalne i odtwarzalne. Informatycy od dawna wiedzą, że programy, które twierdzą, że generują losowe liczby, zwykle okazują się niczego w tym rodzaju.

Zamiast tego fizycy zwrócili się ku naturalnym procesom, aby uzyskać liczby losowe. Na przykład uważa się, że turbulencja jest całkowicie losowa, więc pomiar wpływu turbulencji atmosfery na wiązkę laserową jest jedną z metod generowania liczb losowych, aczkolwiek raczej powolną i taką, która może być łatwo zniekształcona przez czynniki środowiskowe.

Dlatego fizycy wolą używać procesów kwantowych do generowania liczb losowych. Uważa się, że są one z zasady przypadkowe i mają fundamentalny charakter, co jest ważne, ponieważ oznacza to, że nie może istnieć jakiś podstawowy proces fizyczny, który mógłby wprowadzić przewidywalność.

Fizycy próbowali na wiele sposobów tworzyć kwantowe liczby losowe. Jednym z najpopularniejszych jest przesyłanie strumienia fotonów przez rozdzielacz wiązki, który przepuszcza lub odbija je z 50-procentowym prawdopodobieństwem. Proste zliczenie fotonów, które są odbite lub transmitowane, daje losową sekwencję zer i jedynek.

Dokładnie tak działa jedyny na świecie dostępny na rynku kwantowy generator liczb losowych. Ale jego prędkość jest ograniczona do około jednego megabita na sekundę. To dlatego, że detektory pojedynczych fotonów nie mogą liczyć szybciej.

Ostatnio fizycy zaczęli bawić się nową techniką. Wynika to z dwóch różnych sposobów generowania fotonów w laserach. Pierwszym z nich jest emisja wymuszona, która jest przewidywalnym procesem wytwarzającym fotony o tej samej fazie. Drugi to emisja spontaniczna, całkowicie losowy proces kwantowy. Fotony te są zwykle traktowane jako szum i w każdym razie są zasypywane, gdy laser działa przy pełnym nachyleniu.

Emisja spontaniczna staje się jednak istotna, gdy laser działa na poziomie progowym, zanim emisja stymulowana rzeczywiście się utrzyma. Jeśli da się zmierzyć te fotony, to być może uda się wykorzystać ich losowy charakter.

You-Qi i spółka zrobili dokładnie to. Ci goście stworzyli bardzo czuły interferometr, który przekształca fluktuacje fazy fotonów na zmiany natężenia. To ważne, ponieważ zmiany intensywności można łatwo zmierzyć za pomocą konwencjonalnych fotodetektorów, które działają ze znacznie większą szybkością niż detektory pojedynczych fotonów.

To pozwoliło zespołowi zmierzyć te losowe zmiany i zdigitalizować je z szybkością 80 Gb/s. Ten strumień danych musi być następnie oczyszczany na różne sposoby, aby usunąć wszelkie błędy systematyczne wprowadzone przez proces pomiarowy.

Ale po tym zespół nadal jest w stanie tworzyć liczby losowe z szybkością 68 Gb/s.

Nie ma możliwości zagwarantowania, że ​​dowolna sekwencja liczb jest idealnie losowa, ale istnieje zestaw standardowych testów, które mogą wykryć pewne rodzaje wzorców, jeśli są one obecne. You-Qi i spółka twierdzą, że ich sekwencje liczb losowych przeszły wszystkie te testy śpiewająco.

Rezultatem końcowym jest najszybszy kwantowy generator liczb losowych, jaki kiedykolwiek powstał z pewnym marginesem.

To imponująca praca, która powinna przygotować grunt pod niektóre popularne aplikacje wykorzystujące kryptografię kwantową. Nasza demonstracja pokazuje, że szybkie kwantowe generatory liczb losowych są gotowe do praktycznego użycia, powiedzmy You-Qi i spółka. Nasz kwantowy generator liczb losowych może być praktycznym podejściem do niektórych konkretnych zastosowań, takich jak systemy QKD o częstotliwości taktowania powyżej 10 GHz.

Innymi słowy, wiele organizacji, które potrzebują praktycznego systemu, który zapewniałby tajność gwarantowaną przez prawa fizyki kwantowej, może nie czekać dłużej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1506.00720 : Generowanie kwantowych liczb losowych 68 Gb/s poprzez pomiar fluktuacji fazy lasera

ukryć