Szum kwantowy łamie rekord generatora liczb losowych

Liczby losowe to przydatne bestie, w szczególności dla kryptografów, którzy używają ich do generowania swoich kodów.

Ale jak najlepiej tworzyć liczby losowe z przydatną prędkością? Pytanie jest ściśle związane z naturą przypadkowości. Jednym ze sposobów jest poleganie na komputerze, który wykona zadanie za pomocą algorytmu, który generuje liczby, które wyglądają i wydają się losowe. Na przykład cyfry liczby pi wydają się losowe, ale można je wygenerować za pomocą prostego algorytmu.

Matematycy traktują te tak zwane liczby pseudolosowe z ostrożnością. Jednym z powodów, dla których cenią liczby losowe, jest właśnie to, że nie można ich wygenerować za pomocą żadnego logicznego procesu: wszystko, co można obliczyć, na przykład pi, wyraźnie nie mieści się w tej kategorii. Zwłaszcza kryptografowie chcą kodów, których nie może obliczyć podsłuchujący dysponujący wystarczająco wydajnym komputerem.

Obecny konsensus jest taki, że najlepszym źródłem losowości jest świat kwantowy, w którym rządzi niepewność. Niedawno przyjrzeliśmy się, jak dobra jest ta losowość. Jakakolwiek niepewność wartości wielkości fizycznych, takich jak położenie, pęd, pole elektryczne, wystarczy.

Jednym ze sposobów wykorzystania tej niepewności jest wysyłanie fotonów w kierunku półsrebrnego lustra i mierzenie, czy są one odbijane, czy transmitowane. Wynikowa sekwencja zer i jedynek powinna być naprawdę losowa.

Problemem jest tutaj szybkość, z jaką można generować naprawdę losowe liczby. Urządzenia komercyjne które pracują w ten sposób z lustrami półsrebrzystymi, generują liczby losowe z szybkością do 16 Mbitów na sekundę.

Dzisiaj Yu Liu i kumple z Uniwersytetu Pekińskiego w Chinach ujawniają sposób na radykalne przyspieszenie tego procesu. Ich pomysł polega na wykorzystaniu szumu fazowego w laserze do generowania liczb losowych.

Szum fazowy jest wynikiem niepewności kwantowej w sposobie spontanicznej emisji fotonów wewnątrz lasera – na przykład z powodu wahań próżni w polu elektrycznym. Powoduje to emisję fotonów z bardzo nieznacznie różniącymi się częstotliwościami.

Liu i spółka wykorzystują tę niewielką zmianę częstotliwości do stworzenia sygnału dudnienia, opóźniając część światła laserowego i zakłócając jego późniejsze wyjście. Następnie próbkują sygnał rytmu za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego.

Po pewnym matematycznym oczyszczeniu wynikowa sekwencja liczb przechodzi szereg standardowych testów losowości, a Liu i przyjaciele są w stanie wymówić to naprawdę losowo.

Imponujące w tej technice jest szybkość przesyłania danych, którą osiągają. Liu i spółka żądają szybkości transmisji danych do 300 Mbitów na sekundę. A ponieważ laser z wnęką pionową, którego używają do tego celu, można stosunkowo łatwo zintegrować z nowoczesnymi obwodami elektronicznymi, nic nie stoi na przeszkodzie, aby był używany niemal natychmiast w zastosowaniach komercyjnych

To nie jest najszybszy generator liczb losowych – ten rekord trafia do izraelskiego zespołu, który ostatnio osiągnął 3 Gbity na sekundę przy użyciu chaotycznego wyjścia lasera. To dobra, ale nie losowość oparta na kwantach, która jest złotym standardem dla wielu fizyków.

Na początku tego miesiąca zespół z USA ogłosił rekord dla najszybszej generowanej kwantowo liczby losowej z szybkością 100 Mbitów na sekundę, w oparciu o odstępy między nadejściem fotonów do detektora.

Teraz, zaledwie kilka dni później, Chińczycy poradzili sobie jeszcze lepiej. Powinno to rozpocząć interesującą bitwę liczbową z innymi dostawcami liczb losowych o to, kto może najszybciej wygenerować losowość najwyższej jakości. Przygotowania do bitwy!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1006.3512 : Prawdziwie losowe generowanie liczb poprzez wzmocnienie entropii

ukryć