Kwantum-gegenereerde random getallen stellen nieuwe nauwkeurigheidsstandaard

Wetenschappers genereren absolute random getallen met behulp van kwantummechanica. De techniek omvat het creëren van digitale bits met lichtdeeltjes, fotonen. Het kan uiteindelijk cryptografische en beveiligingssystemen verbeteren.

Hoe werkt het?

De nieuwe techniek omvat het creëren van digitale bits (0's en 1's) met lichtdeeltjes, fotonen. Het is gebaseerd op het vorige NIST-experiment "spooky action at a distance is real" dat een cruciale voorspelling van kwantummechanica sterk ondersteunde. Het nieuwe werk produceert echter een reeks veel meer echte random bits.

Meer specifiek gebruikt de randomness-generatie een "loophole-free" Bell-test, gekenmerkt door space-like scheiding en detectie-efficiëntie van de meetstations tijdens experimentele proeven.

Bell-ongelijkheden

Het volgende om te begrijpen is de Bell-test, waarin metingen worden gedaan op een verwikkeld systeem met modules geplaatst in twee afzonderlijke meetstations. Er wordt een keuze gemaakt op elk station (tussen een van twee meet-typen).

Als de meetdata na meerdere proeven bepaalde scenario's genaamd 'Bell-ongelijkheden' schenden, dan zijn de gecertificeerd om randomness te hebben onder zwakke aannames.

Alle bits zijn onvoorspelbaar aannemende twee sleutelpunten:

1. Meetinstellingen zijn onafhankelijk van de apparaten en bestaande klassieke data over hen.
2. In elke experimentele proef zijn de meetuitkomsten op elk station onafhankelijk van configuraties op het andere station.

De eerste is ontestbaar, maar aangezien men meetinstellingen onafhankelijk kan selecteren, roept het vaak op in de interpretatie van diverse natuurwetten en wetenschappelijke experimenten. Het tweede punt kan alleen geschonden worden als signalen sneller dan de lichtsnelheid overgedragen kunnen worden.

Random getal genereren

Het proces van random getal genereren kan in twee stappen verdeeld worden – lange string generatie, en extractie.

Eerst gebruikten onderzoekers het spooky-action-experiment om een lange string bits te creëren via een Bell-test. Ze berekenden correlaties tussen de eigenschappen van foton-paren. Het timing-factor zorgt ervoor dat de correlaties niet gedemonstreerd kunnen worden door traditionele processen zoals bestaande scenario's of data-uitwisseling onder de lichtsnelheid.

Kwantummechanica werd geverifieerd met statistische testen, en deze informatie stelde wetenschappers in staat om de randomness in de lange string te kwantificeren.

Echter, de randomness kon niet goed verspreid worden door de hele string. Bijvoorbeeld, bijna alle bits zouden 1 kunnen zijn met geen of heel weinig 0. Om een uniforme, kleine string met echte randomness te krijgen (waarbij elk bit 0,5 kans heeft om 1 of 0 te zijn), voeren onderzoekers de tweede stap uit – extractie.

Ze ontwierpen een speciale software om de Bell-test-data om te zetten in een kleinere, uniforme string.

De algehele methode vereist 2 onafhankelijke strings (bevat random bits, gegenereerd via traditionele methoden) om meetconfiguraties voor Bell-tests te kiezen en de software te voeden, die de randomness uit de initiële data extraheert.

Ze verzamelden in totaal 5 datasets, met de beste die 1.024 random bits opleverde die uniform verdeeld zijn binnen 10^-12, d.w.z. 1 biljardste van 1%.

Tot op heden is dit de beste methode voor fysiek genereren van randomness, waarmee de beveiliging en een breed scala aan toepassingen verbeterd worden.