Ученые НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра в составе международной исследовательской группы разработали самый быстрый и доступный квантовый генератор случайных чисел. Созданное устройство генерирует случайные числа со скоростью 8.05 Гб в секунду и подтверждает их случайный характер в режиме реального времени. Технология может лечь в основу производства коммерческих генераторов случайных чисел, применяемых в криптографии и для моделирования сложных систем. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics Review X.
Генераторы случайных чисел – важная составляющая многих алгоритмов, включая алгоритмы шифрования и численного моделирования. Они также используются при разработке компьютерных игр и игровых автоматов. Использование генерации случайных чисел позволяет создавать «ключи» шифрования для защиты информации при ее передаче. Кроме того, генераторы случайных чисел могут существенно повысить возможности искусственного интеллекта.
При этом несмотря на то, что генерируемые компьютером числа могут казаться случайными на первый взгляд, действительно случайными их назвать нельзя. Это значит, что во многих случаях предсказать, какое число выдаст компьютер, все же возможно. Таким образом, неслучайная природа случайных чисел является фактором риска при создании шифровальных протоколов для защиты информации.
В поисках решения данной проблемы ученые все чаще обращаются к методам квантовой механики, так как результаты квантовых измерений невозможно с уверенностью предсказать, что позволяет генерировать числа, которые можно назвать истинно случайными. Новый метод генерации истинно случайных чисел, предложенный учеными НИТУ «МИСиС», РКЦ, Окфордского университета, Голдсмитского колледжа и Свободного университета Берлина, основан на использовании квантовых свойств фотонов. Числа, которые производит разработанный ими оптический генератор, в режиме реального времени проходят сертификацию, чтобы подтвердить квантовый характер процесса их генерации.
«Квантовые процессы позволяют генерировать числа, случайность которых гарантируется законами физики. Разрабатываемые на квантовых принципах устройства для генерации случайных чисел имеют ряд важных практических приложений», – подчеркивает Алексей Федоров, один из авторов исследования, руководитель научной группы РКЦ, руководитель лаборатории Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС».
В ходе эксперимента ученые направляли излучение от источника, который считается недоверенным, на один из двух входных портов светоделителя, при этом второй порт оставался пустым, «принимая» на вход вакуум. У выходов светоделителя были установлены детекторы, фиксировавшие число попадающих в них фотонов. Поскольку каждый фотон, приходящий на симметричный светоделитель, с одинаковой вероятностью может быть обнаружен в одном из двух выходов светоделителя, разницу в количестве фотонов, приходящих на детекторы, невозможно предсказать – она является случайной величиной.
Чтобы убедиться в надежности такого способа генерации случайных чисел, исследователи измеряли также количество фотонов во входящем источнике света. Их не должно быть слишком мало – в таком случае количество возможных непрогнозируемых событий будет недостаточным для подтверждения истинного характера случайности. Их также не должно быть слишком много, иначе детекторы будут переходить в насыщение, и результаты измерений станут прогнозируемы.
В ходе эксперимента ученые создали устройство, которое не только генерирует случайные числа со скоростью 8.05 Гб в секунду, что делает его самым быстрым из подобных устройств, но и гарантирует случайный характер этих чисел в режиме реального времени. Созданные до этого прототипы подобных устройств имели скорость на несколько порядков ниже. Для эксперимента была создана специальная система для быстрой постобработки результатов измерений. По мнению авторов исследования, за счет такого процесса сертификации в сочетании с использованием доступных компонентов, разработанная ими технология может лечь в основу производства коммерческих генераторов случайных чисел, имеющих широкую область применения. Высокая скорость работы, практичность и надежность могут обеспечить устройству широкое применение в криптографии, информатике, статистике, научных исследованиях и других областях.
Так, недавно компания Samsung представила мобильный телефон с квантовым генератором случайных чисел, что указывает на востребованность данной технологии на массовом рынке.
