Fizycy osiągnęli „doskonałą losowość”. To koniec słabych punktów w kryptografii

Czy istnieje coś takiego jak prawdziwy przypadek? W codziennym życiu rzut monetą czy kostką wydaje się losowy, ale w rzeczywistości podlega fizycznym prawom, które można przewidzieć. Nawet zaawansowane generatory liczb losowych, używane w komputerach, mają drobne, ukryte błędy – pewne cyfry pojawiają się nieco częściej niż inne. Dla zwykłych zastosowań to bez znaczenia. Jednak w kryptografii, gdzie bezpieczeństwo opiera się na nieprzewidywalności, nawet najmniejszy wzór staje się furtką dla hakerów. Zespół fizyków z ETH Zurich twierdzi, że znalazł sposób, by tę lukę zamknąć na zawsze.

Splątanie na odległość 30 metrów

→ Czytaj też: Meta porzuca chiński startup AI za 700 mln dolarów. Co to oznacza dla twoich danych?

Kluczem do sukcesu okazało się zjawisko, które Albert Einstein nazywał „upiornym działaniem na odległość” – splątanie kwantowe. Zespół pod kierunkiem profesorów Renato Rennera i Andreasa Wallraffa zbudował układ, w którym dwa nadprzewodzące chipy, każdy pełniący rolę kubitu, schłodzono do temperatur bliskich zera absolutnego. Połączono je rurą o długości 30 metrów, również schłodzoną, przez którą przesyłano mikrofalowe fotony. W ten sposób kubity zostały splątane – ich stany kwantowe powiązały się tak, że pomiar jednego natychmiast wpływa na drugi.

Dlaczego aż 30 metrów odległości? Jak tłumaczą naukowcy w badaniu opublikowanym w Nature, tak duży dystans uniemożliwia jakąkolwiek komunikację między kubitami z prędkością światła podczas pomiaru. To gwarantuje, że splątanie nie zostanie „zanieczyszczone” przez przypadkowe sygnały, a wynik pomiaru będzie w pełni wiarygodny.

Jak z niedoskonałości zrobić doskonałość?

→ Czytaj też: Schrödinger nie znał DNA, a i tak zadał pytanie, które wciąż napędza fizyków

Paradoks polega na tym, że proces zaczyna się od… niedoskonałego generatora liczb losowych. To on wybiera, w jaki sposób zmierzyć stan splątanych kubitów. Następnie, po wykonaniu pomiaru kwantowego, specjalny algorytm wzmacnia losowość wyniku. Działa to jak filtr: kwantowy układ „oczyszcza” wejściowe dane z wszelkich systematycznych błędów, produkując na wyjściu ciąg zer i jedynek, który – zdaniem autorów – jest certyfikowalnie losowy.

„Nasza metoda nie wymaga praktycznie żadnych obliczeń, cała losowość pochodzi z pomiaru kubitów” – mówi Renner w rozmowie z Live Science. „Koszt obliczeniowy jest znikomy w porównaniu z klasycznymi generatorami pseudolosowymi”. Innymi słowy, zamiast polegać na skomplikowanych algorytmach, które tylko udają losowość, fizycy sięgnęli po źródło prawdziwego przypadku – samą naturę mechaniki kwantowej.

Koniec słabych punktów w kryptografii

Praktyczne znaczenie tego osiągnięcia trudno przecenić. Obecne systemy kryptograficzne, od bankowości po komunikację rządową, opierają się na liczbach, które są „wystarczająco losowe” dla większości zastosowań. Jednak w teorii – a czasem i w praktyce – można znaleźć w nich wzorce. Doskonała losowość usuwa to ryzyko całkowicie.

Zespół z ETH porównuje swoje urządzenie do zegara atomowego dla czasu: fizyczny, niezawodny wzorzec, na którym mogą polegać inne systemy. Potencjalne zastosowania obejmują:

• Szyfrowanie wiadomości – klucze, których nie da się przewidzieć ani odtworzyć.
• Systemy blockchain i loterie – gdzie uczciwość zależy od nieprzewidywalności.
• Tożsamości cyfrowe – odporne na ataki typu „man-in-the-middle”.

Renner podkreśla, że ich eksperyment będzie najbardziej użyteczny w architekturze sieciowej: „Każdy węzeł w sieci mógłby mieć dostęp do serwera produkującego doskonałą losowość”. To wizja, w której bezpieczeństwo danych staje się kwestią fizyki, a nie tylko matematyki.

Co dalej?

Choć eksperyment dowiódł, że doskonała losowość jest osiągalna, droga do komercyjnych zastosowań wciąż jest długa. Obecny układ wymaga ekstremalnie niskich temperatur i precyzyjnej kontroli nad splątaniem. Jednak każdy krok w stronę praktycznych, kwantowych generatorów losowych to krok w stronę świata, w którym „przypadek” przestaje być tylko przybliżeniem. Dla kryptografii, bezpieczeństwa i nauki to moment równie ważny, jak wynalezienie samego szyfru.