Для многих приложений это не имеет значения. Однако в криптографии даже самые незначительные отклонения могут быть проблематичными.

Теперь исследователи из ETH Zurich во главе с Ренато Реннером и Андреасом Уолраффом из физического факультета продемонстрировали, как на самом деле можно создать идеальную случайность с помощью квантовой физики.

Их результаты, которые они только что опубликовали в научном журнале Nature, представляют собой важную веху в этой области исследований.

“Это может показаться странным, но практически невозможно создать идеальную монету или идеальный кубик”, - говорит Реннер. Независимо от того, насколько симметричным и гладким является кубик, после броска одна из его шести граней всегда будет немного чаще направлена вверх“.

”Даже современные генераторы случайных чисел, основанные на квантово-механических эффектах, таких как отражение фотонов от светоделителей, не полностью защищены от такой систематической ошибки или ”смещения"", - добавляет Уолрафф. Но теперь команды Уолраффа и Реннера нашли способ использовать несовершенную случайность и при этом извлекать из нее совершенно случайные числа. Они называют свой метод усилением случайности.

“Это стало возможным благодаря усовершенствованному так называемому Bell-тесту, обеспечивающему одновременно высокое качество и высокую скорость передачи данных”, - говорит Уолрафф.

Он и его коллеги используют сложную установку, состоящую из двух сверхпроводящих чипов, которые они охлаждают до очень низких температур, близких к абсолютному нулю. Каждый чип представляет собой квантовый бит или кубит, который может принимать состояния “0” или “1” или любую произвольную суперпозицию этих состояний. 30-метровая трубка, которая также охлаждается, соединяет два чипа. Микроволновые фотоны могут летать между ними взад и вперед, создавая таким образом квантово-механическую запутанность. Это означает, что квантовое измерение на одном кубите, которое случайным образом приводит к значениям “0” или “1”, автоматически и на расстоянии влияет на то, будет ли “0” или “1” измерено на втором кубите.

Расстояние в 30 метров гарантирует, что во время измерения даже со скоростью света кубиты не смогут обмениваться информацией. Это нарушило бы идеальную случайность.

Уоллрафф и его команда сделали выбор точного типа измерения (или “основы измерения” на техническом жаргоне) для двух кубитов зависящим от несовершенного генератора случайных чисел.

Затем коллеги Реннера могли бы еще больше усилить случайность результатов измерений, используя специальный алгоритм.

“Результирующая последовательность нулей и единиц теперь действительно совершенно случайна, и мы даже можем это подтвердить”, - говорит Реннер. Он сравнивает этот результат с преодолением горного хребта: “Технические усовершенствования впервые позволили нам создать случайные числа, которые будут оставаться абсолютно случайными вечно – независимо от того, какие аналитические методы используются для оценки их случайности”.

В долгосрочной перспективе эта работа может сыграть такую же роль в цифровой безопасности, как атомные часы для хронометража: физически сертифицированный источник случайности, на который могут положиться другие системы.

Возможные области применения варьируются от шифрования конфиденциальных сообщений и цифровых идентификационных данных до общедоступных сервисов случайного анализа для лотерей и блокчейн-приложений.

Такие методы также могут стать решающими для систем связи с квантовой безопасностью. Это связано с тем, что даже самые надежные криптографические методы настолько надежны, насколько безопасны случайные числа, на которых они основаны: чем лучше случайность, тем надежнее шифрование – если оно слабое, вся система становится уязвимой.