Door kwantum gegenereerde willekeurige getallen stellen een nieuwe nauwkeurigheidsnorm

• Wetenschappers genereren absolute willekeurige getallen met behulp van de kwantummechanica. 
• De techniek omvat het creëren van digitale bits met lichtdeeltjes, fotonen.
• Het zou uiteindelijk cryptografische en beveiligingssystemen kunnen verbeteren. 

Wetenschappers van NIST (National Institute of Standards and Technology) hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om met behulp van de kwantummechanica een kostbaarder willekeurig getal te genereren. Nu overtreft de onvoorspelbaarheid van willekeurige getallen alle eerder gebruikte methoden, waardoor cryptografische en beveiligingssystemen worden verbeterd.

Wat is het probleem met bestaande systemen, vroeg je? Welnu, ze genereren in absolute zin geen willekeurig getal. Een getal dat willekeurig door de machine of softwareformules wordt geproduceerd, kan worden ondermijnd door tal van factoren, waaronder voorspelbare bronnen van ruis. U kunt statistische tests uitvoeren, maar geen enkele test op basis van de uitkomst alleen kan garanderen dat de uitkomst onvoorspelbaar was.

Willekeurige getallen worden dagelijks miljarden keren gebruikt voor het versleutelen van privé-informatie in elektronische netwerken. Maar omdat niemand kan garanderen dat de conventionele bron echt onvoorspelbaar is, beperkt dit de kracht van beveiligingssystemen. Het is zoiets als het opgooien van een munt:het lijkt willekeurig, maar je kunt de uitkomst zien als je het pad van de munt volgt terwijl deze tuimelt.

De nieuwe methode is echter afhankelijk van de kwantumbron en het kwantumprotocol. En onderzoekers zijn er vrij zeker van dat niemand de kwantumgebaseerde uitkomsten kan voorspellen. Alleen een kwantummachine zou de statistische correlaties tussen outputs en meetkeuzes kunnen genereren.

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 eerdere NIST-experiment ‘spookachtige actie op afstand is reëel’, dat een belangrijke voorspelling van de kwantummechanica sterk ondersteunde. Het nieuwe werk levert echter een reeks veel reëlere willekeurige bits op.

Meer specifiek maakt de generatie van willekeur gebruik van een “maasvrije” Bell-test, gekenmerkt door ruimteachtige scheiding en detectie-efficiëntie van de meetstations tijdens experimentele proeven.

Bell-ongelijkheden 

Het volgende dat u moet begrijpen is de Bell-test, waarbij metingen worden uitgevoerd op een verstrengeld systeem met modules die in twee afzonderlijke meetstations zijn geplaatst. Per station wordt een keuze gemaakt (tussen één van twee meettypes).

Als de meetgegevens na meerdere tests bepaalde scenario's schenden die 'Bell-ongelijkheid' worden genoemd, worden de gegevens gecertificeerd als willekeur onder zwakke aannames.

Alle bits zijn onvoorspelbaar, uitgaande van twee belangrijke punten –

1. Meetinstellingen zijn onafhankelijk van de apparaten en de bestaande klassieke gegevens daarover.
2. Bij elke experimentele proef zijn de meetresultaten op elk station onafhankelijk van de configuraties op het andere station.

De eerste is niet te testen, maar omdat men de meetinstellingen onafhankelijk kan selecteren, wordt er vaak een beroep op gedaan bij de interpretatie van verschillende natuurwetten en wetenschappelijke experimenten. Het tweede punt kan alleen worden geschonden als signalen sneller kunnen worden overgedragen dan de snelheid van het licht.

Referentie:Natuur | doi:10.1038/s41586-018-0019-0 | NIST

Willekeurig getal genereren 

Het proces van het genereren van willekeurige getallen kan in twee stappen worden verdeeld:het genereren van lange reeksen en het extraheren.

Ten eerste gebruikten onderzoekers een griezelig actie-experiment om via een Bell-test een lange reeks bits te creëren. Ze berekenden correlaties tussen de eigenschappen van fotonparen. De timingfactor zorgt ervoor dat de correlaties niet kunnen worden aangetoond door traditionele processen zoals bestaande scenario's of gegevensuitwisseling met minder dan de snelheid van het licht.

De kwantummechanica werd geverifieerd met behulp van statistische tests, en deze informatie stelde wetenschappers in staat de willekeur in de lange reeks te kwantificeren.

Afbeelding tegoed:Shalm / NIST

Zoals je in de experimentele opstelling kunt zien, raakt een laserstraal een uniek kristal en wordt omgezet in fotonparen die verstrengeld zijn. Fotonen worden verder berekend om een ​​reeks absolute willekeurige getallen te genereren. 

De willekeur kon echter niet goed over de string worden verspreid. Bijna alle bits kunnen bijvoorbeeld 1 zijn, waarbij geen enkele of heel weinig bits 0 zijn. Om een uniforme, kleine reeks met echte willekeur te krijgen (waarbij elke bit een kans van 0,5 heeft om 1 of 0 te zijn), voeren onderzoekers de tweede stap uit:extractie.

Ze ontwierpen speciale software om de Bell-testgegevens om te zetten in een kleinere, uniforme reeks.

De algehele methode vereist twee onafhankelijke strings (die willekeurige bits bevatten, gegenereerd via traditionele methoden) om meetconfiguraties voor Bell-tests te kiezen en om de software te voeden, die de willekeur uit de initiële gegevens haalt.

Lees:Wat is het grootste bekende priemgetal | Het is 23 miljoen cijfers lang

Ze verzamelden in totaal vijf datasets, waarbij de beste 1.024 willekeurige bits opleverde die uniform verdeeld zijn binnen 10-12, d.w.z. 1 biljoenste van 1%.

Tot nu toe is dit de beste methode voor het fysiek genereren van willekeur, waardoor de beveiliging en een breed scala aan toepassingen worden verbeterd.