Квантовый генератор случайных чисел: новое слово в защите информации

Создатели уверяют, что квантовый генератор случайных чисел, способный стать основой невзламываемых коммуникационных систем и систем безопасности.

Проблема с существующими технологиями генерации последовательностей случайных чисел заключается не в том, чтобы сгенерировать эти последовательности, гораздо труднее доказать, что эти последовательности имеют абсолютно случайную природу. Однако, ученые-физики из американского Института стандартов и метрологии (National Institute of Standards and Technology, NIST) разработали новый принцип, легший в основу нового генератора случайных чисел. И квантовая природа этого принципа является гарантом того, что на выходе устройства появляются лишь абсолютно случайная последовательность единиц и нулей.

Некоторые из современных генераторов случайных чисел используют в качестве источника данных явления, последовательность которых может быть предсказана некоторым образом. Несмотря на потенциальные недостатки таких способов, они используются достаточно широко в шифровании данных, которым мы пользуемся каждый день, заходя на сайты по защищенному протоколу https, к примеру. Разработанный же в институте NIST метод полагается на некоторые непредсказуемые явления квантовой механики, в частности на явление квантовой запутанности, которое Альберт Эйнштейн охарактеризовал, как "призрачное действие на расстоянии".

"Подброшенная монетка, как кажется с первого взгляда, падает совершенно случайным образом. Но результат этого можно предсказать достаточно легко, надо лишь знать основные законы физики, силу и направление броска монетки" - пишут исследователи, - "Квантовая хаотичность, с другой стороны, является абсолютной хаотичностью, ведь только специализированная квантовая система может определить статистические корреляции между моментом проведения измерения и результатом этого измерения".

В качестве источника хаотичности (энтропии) новой системы выступает явление квантовой суперпозиции, явление, когда частица может находиться в двух квантовых состояниях одновременно. Это неопределенное положение превращается в определенное положение лишь в момент проведения измерений. В новой системе энтропия источника усилена тем, что измеряется не состояние какой-либо отдельной частицы, а уровень корреляции состояний суперпозиции двух запутанных на квантовом уровне фотонов света.

Для дальнейшего увеличения качества случайных данных, ученые провели анализ последовательностей и нашли, что в случае относительно коротких последовательностей соотношение единиц и нулей равно приблизительно 1 к 1. После этого исследователи написали компьютерную программу, которая использует случайные данные, сгенерированные обычными генераторами и которая выбрасывает из последовательности квантового генератора цепочки, не удовлетворяющие заданным критериям.

В результате этого из исходной последовательности в 100 миллионов битов выбираются всего 1024 бита, показатель случайности которых близок к показателю идеально случайного ряда и составляет несколько триллионных долей процента.

Проверка случайности рядов генерируемых чисел была проведена при помощи двух идентичных квантовых генераторов, расположенных на большом удалении друг дот друга для того, чтобы полностью исключить возникновение каких-либо скрытых физических связей между двумя устройствами. Более того, в данном случае любой обмен информацией между устройствами был попросту невозможен из-за ограничений, связанных со скоростью распространения света. В результате были получены два набора случайных чисел, между которыми совершенно не наблюдалось корреляции. Более того, эти наборы находятся сейчас в открытом доступе, и их случайную природу могут использовать в своих целях все желающие.