211service.com
Kvantový šum porušuje záznam generátoru náhodných čísel
Náhodná čísla jsou užitečná zvířata, zejména pro kryptografy, kteří je používají ke generování svých kódů.
Jak ale nejlépe vytvářet náhodná čísla užitečnou rychlostí? Tato otázka je úzce spojena s povahou náhodnosti. Jedním ze způsobů je spolehnout se na počítač, že úkol provede pomocí algoritmu, který generuje čísla, která vypadají a působí náhodně. Například číslice pí vypadají náhodně, ale mohou být generovány jednoduchým algoritmem.
Matematici zacházejí s těmito takzvanými pseudonáhodnými čísly opatrně. Jedním z důvodů, proč oceňují náhodná čísla, je právě to, že je nelze generovat žádným logickým procesem: cokoli, co lze vypočítat, jako je pí, jasně spadá mimo tuto kategorii. Zejména kryptografové chtějí kódy, které nedokáže spočítat odposlech s dostatečně výkonným počítačem.
Současná shoda je, že nejlepším zdrojem náhodnosti je kvantový svět, kde vládne nejistota. Nedávno jsme se podívali na to, jak dobrá je tato náhodnost. Jakákoli nejistota v hodnotě fyzikálních veličin, jako je poloha, hybnost, elektrické pole, bude stačit.
Jedním ze způsobů, jak využít tuto nejistotu, je poslat fotony směrem k polostříbrnému zrcadlu a měřit, zda se odrážejí nebo propouštějí. Výsledná sekvence 0s a 1s by měla být skutečně náhodná.
Problémem je zde rychlost, jakou lze generovat skutečně náhodná čísla. Komerční zařízení které pracují tímto způsobem s polostříbrnými zrcadly generují náhodná čísla rychlostí až 16 Mbitů za sekundu.
Dnes Yu Liu a kamarádi z Pekingské univerzity v Číně odhalili způsob, jak to dramaticky urychlit. Jejich myšlenkou je využít fázový šum v laseru ke generování náhodných čísel.
Fázový šum je výsledkem kvantových nejistot ve způsobu, jakým jsou fotony spontánně emitovány uvnitř laseru – například kvůli vakuovým fluktuacím elektrického pole. To způsobuje, že fotony jsou emitovány s frekvencemi, které se velmi mírně liší.
Liu a spol. využívají tuto malou změnu frekvence k vytvoření rázového signálu zpožďováním části laserového světla a rušením pozdějšího výstupu. Poté vzorkují signál rytmu pomocí analogově digitálního převodníku.
Po malém matematickém očištění výsledná sekvence čísel projde řadou standardních testů náhodnosti a Liu a přátelé ji dokážou vyslovit skutečně náhodně.
Co je na této technice působivé, je rychlost přenosu dat, kterou dosahují. Liu a spol. tvrdí, že přenosová rychlost dosahuje až 300 Mbitů za sekundu. A protože laser s vertikální dutinou, který k tomu používají, lze poměrně snadno integrovat do moderních elektronických obvodů, nic nebrání tomu, aby byl téměř okamžitě použit pro komerční aplikace.
To není nejrychlejší generátor náhodných čísel – tento záznam patří izraelskému týmu, který nedávno dosáhl rychlosti 3 Gbitů za sekundu pomocí chaotického výstupu laseru. To je dobrá, ale ne kvantová náhodnost, která je zlatým standardem pro mnoho fyziků.
Začátkem tohoto měsíce tým v USA prohlásil rekord pro nejrychlejší kvantově generované náhodné číslo s rychlostí 100 Mbitů za sekundu na základě intervalů mezi příchody fotonů k detektoru.
Nyní, jen o pár dní později, se Číňanům dařilo ještě lépe. To by mělo zahájit zajímavou bitvu čísel s ostatními poskytovateli náhodných čísel o to, kdo dokáže nejrychleji generovat náhodnost nejvyšší kvality. Připravte se na bitvu!
Ref: arxiv.org/abs/1006.3512 : Skutečně náhodné generování čísel prostřednictvím zesílení entropie