Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) объявили о достижении, которое десятилетиями считалось практически невозможным: им удалось создать последовательность чисел с доказуемо идеальной случайностью.
На первый взгляд задача кажется тривиальной. Однако даже самые точные игральные кости, подброшенные монеты или современные программные генераторы случайных чисел на практике обладают предвзятостью. Из-за микроскопических физических несовершенств одни результаты выпадают чаще других. В повседневных задачах это не играет роли, но в криптографии даже минимальные отклонения создают серьезные уязвимости.
Команда физиков под руководством Ренато Реннера и Андреаса Валльраффа разработала метод «усиления случайности» (randomness amplification), позволяющий полностью нивелировать эти дефекты.
Изображение овцы, зашифрованное с использованием обычной случайности (в центре) и сертифицированной идеальной случайности из эксперимента ETH (справа). Только идеальная случайность превращает изображение целиком в шум. Источник: ETH Zurich
Для проведения эксперимента ученые задействовали два сверхпроводящих квантовых бита (кубита). Их охладили до температур, близких к абсолютному нулю, и соединили 30-метровой линией передачи. Кубиты были переведены в состояние квантовой запутанности, при котором состояние одного объекта неразрывно связано с результатом измерения другого.
Фундаментальным компонентом исследования стала усовершенствованная версия теста Белла. Этот эксперимент позволил доказать, что результаты измерений определяются именно квантовой природой системы, а не скрытыми классическими параметрами.
Примечательно, что для выбора метода измерения исследователи сознательно использовали заведомо «несовершенный» генератор случайных чисел. Впоследствии специальный алгоритм обработал полученные результаты, очистив их и извлек из них поток данных, который, по оценкам авторов, обладает свойствами математически идеальной случайности.
Как отметил Ренато Реннер, теперь наука способна не просто генерировать случайные числа, а подтверждать их непредсказуемость на фундаментальном физическом уровне. Это означает, что полученный результат не является «статистически хорошим приближением», а остается случайным вне зависимости от того, какие методы анализа или вычислительные мощности будут доступны в будущем.
Практический потенциал этого открытия огромен. Современная цифровая безопасность — системы шифрования, электронные подписи, криптовалютные алгоритмы, блокчейны и защищенные каналы связи — всецело опирается на качество случайных чисел. Даже минимальная предсказуемость источника способна поставить под угрозу конфиденциальность данных.
Авторы исследования проводят параллель со стандартами времени: если атомные часы стали эталоном точности, то физически сертифицированные квантовые генераторы могут стать эталоном случайности для всей мировой цифровой инфраструктуры.
