Kvantu troksnis pārtrauc nejaušo skaitļu ģeneratora rekordu

Nejaušie skaitļi ir noderīgi zvēri, jo īpaši kriptogrāfiem, kuri tos izmanto savu kodu ģenerēšanai.

Bet kā vislabāk izveidot nejaušus skaitļus noderīgā ātrumā? Jautājums ir cieši saistīts ar nejaušības raksturu. Viens veids ir paļauties uz datoru, lai veiktu uzdevumu, izmantojot algoritmu, kas ģenerē skaitļus, kas izskatās un šķiet nejauši. Piemēram, pi cipari parādās nejauši, bet tos var ģenerēt ar vienkāršu algoritmu.

Matemātiķi pret šiem tā sauktajiem pseidogadījuma skaitļiem izturas piesardzīgi. Viens no iemesliem, kāpēc viņi novērtē nejaušus skaitļus, ir tieši tāpēc, ka tos nevar ģenerēt ar loģisku procesu: viss, ko var aprēķināt, piemēram, pi, nepārprotami neietilpst šajā kategorijā. Jo īpaši kriptogrāfi vēlas kodus, ko nevar aprēķināt noklausītājs ar pietiekami jaudīgu datoru.

Pašreizējā vienprātība ir tāda, ka labākais nejaušības avots ir kvantu pasaule, kurā valda nenoteiktība. Mēs nesen apskatījām, cik laba ir šī nejaušība. Derēs jebkura nenoteiktība fizisko lielumu vērtībā, piemēram, pozīcija, impulss, elektriskais lauks.

Viens no veidiem, kā izmantot šo nenoteiktību, ir nosūtīt fotonus uz daļēji sudrabotu spoguli un izmērīt, vai tie tiek atspoguļoti vai pārraidīti. Iegūtajai 0 un 1 secībai jābūt patiesi nejaušai.

Problēma šeit ir ātrums, ar kādu var ģenerēt patiesi nejaušus skaitļus. Komerciālās ierīces kas šādā veidā strādā ar daļēji sudrabotiem spoguļiem, ģenerē nejaušus skaitļus ar ātrumu līdz 16 Mbits sekundē.

Šodien Yu Liu un draugi Pekinas Universitātē Ķīnā atklāj veidu, kā to ievērojami paātrināt. Viņu ideja ir izmantot lāzera fāzes troksni, lai ģenerētu nejaušus skaitļus.

Fāzes troksnis ir kvantu nenoteiktības rezultāts, kā fotoni spontāni izstaro lāzera iekšpusē, piemēram, elektriskā lauka vakuuma svārstību dēļ. Tas izraisa fotonu izstarošanu ar frekvencēm, kas ļoti nedaudz atšķiras.

Liu un co izmanto šīs nelielās frekvences izmaiņas, lai izveidotu sitiena signālu, aizkavējot daļu lāzera gaismas un traucējot tai vēlākai izvadei. Pēc tam viņi ņem paraugus sitienu signālam ar analogo-ciparu pārveidotāju.

Pēc nelielas matemātiskas tīrīšanas iegūtā skaitļu secība iztur vairākus standarta nejaušības testus, un Liu un draugi spēj to izrunāt patiesi nejauši.

Šīs tehnikas iespaidīgais ir sasniegtais datu pārraides ātrums. Liu un co pieprasa datu pārraides ātrumu līdz 300 Mbit/s. Un tā kā vertikālās dobuma lāzeru, ko viņi izmanto šim nolūkam, var salīdzinoši viegli integrēt mūsdienu elektroniskajās shēmās, nekas neliedz to gandrīz nekavējoties izmantot komerciāliem lietojumiem.

Tas nav ātrākais nejaušo skaitļu ģenerators — šis rekords pieder Izraēlas komandai, kas nesen sasniedza 3 Gbiti sekundē, izmantojot lāzera haotisko izvadi. Tā ir laba, bet ne uz kvantu balstīta nejaušība, kas ir zelta standarts daudziem fiziķiem.

Šī mēneša sākumā ASV komanda pieprasīja rekordu par ātrāko kvantu ģenerēto nejaušo skaitli ar ātrumu 100 Mbiti sekundē, pamatojoties uz intervāliem starp fotonu pienākšanu detektorā.

Tagad, tikai dažas dienas vēlāk, ķīniešiem ir izdevies vēl labāk. Tam vajadzētu sākt interesantu skaitļu cīņu ar citiem nejaušu skaitļu nodrošinātājiem par to, kurš visātrāk var ģenerēt augstākās kvalitātes nejaušību. Sagatavojies kaujai!

Atsauce: arxiv.org/abs/1006.3512 : patiesi nejaušu skaitļu ģenerēšana, izmantojot entropijas pastiprināšanu

paslēpties