Doskonała losowość wreszcie osiągnięta. Fizycy złamali odwieczne ograniczenie

Wyobraź sobie, że rzucasz monetą miliard razy. Czy kiedykolwiek uzyskasz idealnie równy rozkład orłów i reszek? Nawet jeśli tak, to w sekwencji pojawią się wzory – dłuższe serie, subtelne odchylenia. Prawdziwa, nieskazitelna losowość jest w naszym świecie zaskakująco trudna do osiągnięcia. Aż do teraz. Fizycy z ETH Zurich ogłosili, że po raz pierwszy udało im się wygenerować „doskonałą losowość” – ciąg zer i jedynek, który jest absolutnie nieprzewidywalny, bez żadnych ukrytych wzorców czy błędów systematycznych. To nie tylko triumf fizyki kwantowej, ale i potencjalna rewolucja w kryptografii i bezpieczeństwie cyfrowym.

Problem z przypadkiem: dlaczego zwykłe generatory losowości zawodzą?

→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią

Większość dzisiejszych generatorów liczb losowych opiera się na procesach fizycznych – na przykład na detekcji fotonów czy szumie termicznym. Jednak, jak tłumaczą naukowcy, nawet najbardziej zaawansowane z nich niosą ze sobą drobne, nieusuwalne obciążenia (ang. bias). W rezultacie pewne wartości pojawiają się nieco częściej niż inne. W codziennych zastosowaniach – jak gry komputerowe czy symulacje – te niedoskonałości są do zaakceptowania. Zupełnie inaczej jest w kryptografii. „W kryptografii – gdzie bezpieczeństwo zaszyfrowanych systemów zależy od nieprzewidywalności – nawet najsubtelniejszy wzór może stać się luką do wykorzystania” – podkreślono w opisie badań opublikowanych w czasopiśmie Nature.

Problem ten od lat stanowił wyzwanie dla informatyków i fizyków. Próby tworzenia „czystej” losowości za pomocą algorytmów (tzw. generatorów pseudolosowych) są z definicji skazane na porażkę – komputer działa przecież według ściśle określonych reguł. Potrzebny był inny, kwantowy pomysł.

Kwantowe splątanie na 30 metrach: jak to działa?

→ Czytaj też: Światło zachowuje się jak kwantowy hamulec. Co to oznacza dla twojego komputera?

Zespół kierowany przez profesorów Renato Rennera i Andreasa Wallraffa z ETH Zurich sięgnął po jedno z najbardziej tajemniczych zjawisk mechaniki kwantowej – splątanie. W swoim eksperymencie wykorzystali dwa nadprzewodzące chipy, schłodzone do temperatury bliskiej zera absolutnego. Każdy z chipów pełnił rolę kubitu – kwantowego odpowiednika bitu. Połączono je rurą o długości 30 metrów, również schłodzoną do ekstremalnie niskiej temperatury. Dzięki temu fotony mikrofalowe mogły przemieszczać się między chipami, tworząc stan splątania – „upiorne” połączenie, w którym pomiar jednej cząstki natychmiast wpływa na stan drugiej, niezależnie od odległości.

Dlaczego aż 30 metrów? To kluczowy detal. „Utrzymując kubity w odległości prawie 100 stóp, naukowcy zapewnili, że podczas pomiaru nawet sygnały poruszające się z prędkością światła nie mogłyby dotrzeć między kubitami na tyle szybko, by wpłynąć na wynik” – zaznaczają autorzy. Innymi słowy, wyeliminowano możliwość, że jeden pomiar „podsunie” odpowiedź drugiemu. To gwarantuje, że splątanie pozostaje nieskażone, a losowość – prawdziwa.

Algorytm, który czyści bias

Sama obecność splątania stanowi jednak dopiero połowę sukcesu. Zespół rozpoczął od celowo niedoskonałego generatora liczb losowych, który wybierał podstawę pomiaru dla kubitów. Następnie, po dokonaniu pomiarów kwantowych, zastosowano specjalny algorytm do „wzmocnienia” losowości. Jak to ujął Renner w rozmowie z Live Science: „Nasza metoda nie wymaga właściwie żadnych obliczeń, ponieważ cała losowość jest generowana przez pomiar kubitów. Koszt obliczeniowy naszego podejścia jest znikomy w porównaniu z generatorami pseudolosowymi”.

Efekt? Ciąg zer i jedynek, który – jak twierdzą badacze – pozostaje doskonały dla wszystkich praktycznych i analitycznych celów, niezależnie od tego, jak zaawansowanymi metodami ktoś próbowałby go później ocenić. To przełom, który porównują do wynalezienia zegara atomowego dla pomiaru czasu: fizyczny, niezawodny wzorzec, na którym mogą polegać inne systemy.

Kryptografia, blockchain i przyszłość bezpieczeństwa

Praktyczne zastosowania tej technologii są ogromne. „Nasz eksperyment byłby najbardziej użyteczny w architekturach sieciowych, gdzie każdy węzeł ma dostęp do »serwera«, który implementuje go do produkcji losowości” – komentuje Renner. Wyobraźmy sobie szyfrowanie wiadomości absolutnie nie do złamania – nawet przez komputer kwantowy. Albo systemy głosowania, loterie, operacje na blockchainie, w których nikt nie może podważyć losowości wyniku. To wszystko staje się realne.

Zanim technologia trafi do powszechnego użytku, minie jeszcze trochę czasu. Obecny układ wymaga skomplikowanej infrastruktury kriogenicznej i precyzyjnego sterowania. Jednak podobnie jak w przypadku pierwszych komputerów, które zajmowały całe pomieszczenia, tak i tu – pierwszy krok został zrobiony. Po raz pierwszy w dziejach mamy certyfikowaną, doskonałą losowość. Reszta to już tylko kwestia inżynierii.