Ķīnā atklāts pasaulē ātrākais kvantu nejaušo skaitļu ģenerators

Privātums ir viena no sabiedrības visaugstāk novērtētajām īpašībām. Spēja nosūtīt privātas ziņas un veikt finanšu darījumus, nebaidoties tikt uzraudzīta, ir daudzu valdības, militāro un komerciālo darbību pamatā.

Viena no tehnoloģijām, kas ļauj to izdarīt perfekti, ir kvantu kriptogrāfija, un tai ir nepieciešams spēcīgs nejaušu skaitļu avots.

Bet ir problēma. Nejaušus skaitļus ir pārsteidzoši grūti ģenerēt lielos daudzumos. Viens no labākajiem avotiem ir kvantu pasaule, kas būtībā ir nejauša. Bet labākie komerciāli pieejamie kvantu nejaušo skaitļu ģeneratori tos ražo tikai ar ātrumu miljons sekundē, kas ir tālu no daudziem desmitiem miljardu sekundē, kas nepieciešams daudzām lietojumprogrammām.

Mūsdienās šķiet, ka tas ir mainījies, pateicoties You-Qi Nie darbam Hefei Nacionālajā Fizisko zinātņu laboratorijā Ķīnā un dažiem draugiem, kuri apgalvo, ka ir izveidojuši nejaušu kvantu skaitļu ģeneratoru, kas spēj saražot 68 miljardus no tiem sekundē. Viņi saka, ka šim paņēmienam ir jānovērš svarīgs šķērslis, kas neļauj valdībām, militārpersonām un mums pārējiem gūt labumu no perfektas drošības.

Nejaušiem skaitļiem ir jābūt neparedzamiem un nereproducējamiem, un tas izslēdz to ģenerēšanu, izmantojot parastos algoritmiskos procesus, kas mēdz būt gan paredzami, gan reproducējami. Datorzinātnieki jau sen ir zinājuši, ka programmas, kas apgalvo, ka rada nejaušus skaitļus, parasti nedara neko līdzīgu.

Tā vietā fiziķi ir pievērsušies dabiskiem procesiem, lai iegūtu nejaušus skaitļus. Piemēram, tiek uzskatīts, ka turbulence ir pilnīgi nejauša, tāpēc to mērīšana, ka atmosfēras turbulentā ietekme uz lāzera staru ir viena no metodēm, kā iegūt nejaušus skaitļus, lai gan tas ir diezgan lēns, un to var viegli novirzīt vides faktori.

Tāpēc fiziķi izvēlas izmantot kvantu procesus, lai ģenerētu nejaušus skaitļus. Tiek uzskatīts, ka tie principā ir nejauši un pēc būtības, kas ir svarīgi, jo tas nozīmē, ka nevar būt kāds pamatā esošais fizisks process, kas varētu ieviest paredzamību.

Fiziķi ir izmēģinājuši daudzus veidus, kā iegūt kvantu nejaušus skaitļus. Viens no populārākajiem ir fotonu plūsmas nosūtīšana caur staru sadalītāju, kas tos pārraida vai atstaro ar 50 procentu varbūtību. Vienkārši saskaitot atstarotos vai pārraidītos fotonus, tiek iegūta nejauša 0 un 1 secība.

Tieši tā darbojas pasaulē vienīgais komerciāli pieejamais kvantu nejaušo skaitļu ģenerators. Bet tā ātrums ir ierobežots līdz apmēram vienam megabitam sekundē. Tas ir tāpēc, ka viena fotona detektori nevar skaitīt ātrāk par šo.

Nesen fiziķi ir sākuši sajaukt ar jaunu tehniku. Tas rodas no diviem dažādiem veidiem, kā lāzeros tiek ģenerēti fotoni. Pirmais ir ar stimulētu emisiju, kas ir paredzams process, kas rada fotonus, kuriem visiem ir viena un tā pati fāze. Otrais ir spontāna emisija, pilnīgi nejaušs kvantu process. Šie fotoni parasti tiek uzskatīti par troksni, un jebkurā gadījumā tie ir pārpludināti, kad lāzers darbojas pilnā slīpumā.

Tomēr spontānā emisija kļūst nozīmīga, kad lāzers darbojas tā sliekšņa līmenī, pirms stimulētā emisija patiešām tiek nostiprināta. Ja ir iespējams izmērīt šos fotonus, tad var būt iespējams izmantot to nejaušo raksturu.

Jūs-Qi un co ir izdarījuši tieši to. Šie puiši ir izveidojuši ļoti jutīgu interferometru, kas fotonu fāzes svārstības pārvērš intensitātes izmaiņās. Tas ir svarīgi, jo intensitātes izmaiņas var viegli izmērīt, izmantojot parastos fotodetektorus, kas darbojas ar daudz lielāku ātrumu nekā viena fotona detektori.

Tas ļāva komandai izmērīt šīs nejaušās izmaiņas un digitalizēt tās ar ātrumu 80 Gbps. Pēc tam šī datu plūsma ir jātīra dažādos veidos, lai novērstu jebkādas novirzes, ko rada mērījumu process.

Bet pēc tam komanda joprojām spēj radīt nejaušus skaitļus ar ātrumu 68 Gbps.

Nevar garantēt, ka jebkura skaitļu secība ir pilnīgi nejauša, taču ir standarta testu kopums, kas var noteikt noteikta veida modeļus, ja tādi ir. Jūs-Qi un kolēģi apgalvo, ka viņu nejaušās skaitļu secības iztur visus šos testus.

Gala rezultāts ir ātrākais kvantu nejaušo skaitļu ģenerators, kas jebkad ir izveidots ar zināmu starpību.

Tas ir iespaidīgs darbs, kam vajadzētu sagatavot augsni dažām galvenajām lietojumprogrammām, kurās izmanto kvantu kriptogrāfiju. Mūsu demonstrācija parāda, ka ātrgaitas kvantu nejaušo skaitļu ģeneratori ir gatavi praktiskai lietošanai, teiksim You-Qi un co. Mūsu kvantu nejaušo skaitļu ģenerators varētu būt praktiska pieeja dažiem specifiskiem lietojumiem, piemēram, QKD sistēmām ar takts frekvenci virs 10 GHz.

Citiem vārdiem sakot, daudzām organizācijām, kurām nepieciešama praktiska sistēma, kas piedāvā kvantu fizikas likumos garantētu slepenību, var nebūt daudz ilgāks laiks gaidīt.

Atsauce: arxiv.org/abs/1506.00720 : 68 Gbps kvantu nejaušu skaitļu ģenerēšana, mērot lāzera fāzes svārstības

paslēpties