Fizycy oszukali przypadek — wyprodukowali idealną losowość

Jak oszukać przypadek – i przestać się go bać

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

Losowość jest jak kot Schrodingera – niby istnieje, ale gdy tylko spojrzysz, znika. W codziennym życiu to nie problem: rzut monetą daje w przybliżeniu fifty‑fifty. W kryptografii, gdzie od losowości zależy bezpieczeństwo całego systemu, nawet subtelne odchylenie otwiera drzwi hakerom. „Nasza metoda nie wymaga praktycznie żadnych obliczeń – całą losowość uzyskuje się dzięki pomiarom kubitów” – mówi prof. Renato Renner z instytutu teoretycznej fizyki kwantowej w ETH Zurich. Jego zespół, we współpracy z grupą prof. Andreasa Wallraffa, właśnie po raz pierwszy w historii udowodnił, że możliwe jest wygenerowanie – i co ważniejsze – certyfikowanie idealnej losowości.

Klasyczne generatory liczb losowych, choć oparte na fizycznych procesach (np. detekcji fotonów), zawsze niosą ze sobą tzw. bias – systematyczne faworyzowanie pewnych cyfr. Nawet jeśli jest minimalny, wystarczy, by złamać szyfr. Zespół z Zurychu postanowił więc nie ulepszać istniejących metod, ale skorzystać z najbardziej fundamentalnej cechy mechaniki kwantowej – prawdziwej przypadkowości pomiaru.

Entanglement na 30 metrach

→ Czytaj też: Kot Schrödingera przemówił. Poemat w Scientific American o kwantach i świadomości

Kluczowym elementem eksperymentu były dwa nadprzewodzące chipy. Każdy z nich pełni rolę kubitu – kwantowego odpowiednika bitu. Chipy umieszczono w osobnych kriostatach, schłodzonych do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Połączono je rurą długości 30 metrów (około 98 stóp), w której mikrofalowe fotony przemieszczały się między układami, tworząc stan splątania kwantowego. „Dzięki odległości między kubitami blisko 100 stóp zapewniliśmy, że podczas pomiaru żaden sygnał – nawet poruszający się z prędkością światła – nie mógł dotrzeć z jednego kubitu do drugiego na tyle szybko, by wpłynąć na wynik” – wyjaśnia dr Simon Storz, główny autor publikacji w Nature. To zabezpieczenie chroni integralność splątania.

Naukowcy zaczynali od niedoskonałego generatora losowego – takiego, który faworyzuje pewne wyniki. Za jego pomocą wybierali bazę pomiarową dla splątanych kubitów. Następnie przeprowadzili pomiary kwantowe i zastosowali algorytm wzmacniający losowość. „Kluczowa idea jest taka, że układ kwantowy może oczyścić wejście z biasu i wyprodukować ciąg zer i jedynek, który jest certyfikowalnie losowy” – tłumaczy prof. Renner. To oznacza, że o losowości nie wnioskujemy już na podstawie testów statystycznych – ona sama jest gwarantowana przez prawa fizyki.

Po co komu idealna losowość?

Zastosowania sięgają daleko poza laboratorium. Prof. Renner porównuje swoje urządzenie do zegara atomowego – fizycznego punktu odniesienia, na którym mogą polegać inne systemy. „Najbardziej przydatne będzie w architekturach sieciowych, gdzie każdy węzeł ma dostęp do serwera implementującego nasz generator” – dodaje. Praktyczne obszary to szyfrowanie komunikatów, cyfrowe tożsamości, losowania w loteriach czy operacje na blockchainie.

„Nasza metoda nie wymaga praktycznie żadnych obliczeń – całą losowość uzyskuje się dzięki pomiarom kubitów.”

Co istotne, metoda ta jest nie tylko skuteczna, ale i efektywna obliczeniowo. „Koszt obliczeniowy naszego podejścia jest znikomy w porównaniu z klasycznymi pseudolosowymi generatorami” – podkreśla Renner. Oznacza to, że w przyszłości małe, energooszczędne generatory losowości mogłyby stać się standardowym elementem układów kryptograficznych.

Eksperyment opisano w publikacji w czasopiśmie Nature. Zespół pod kierunkiem prof. Wallraffa i prof. Rennera z ETH Zurich udowodnił, że certyfikowalna losowość nie jest już tylko konceptem teoretycznym – stała się osiągalną technologią. W świecie, w którym każda przewidywalność jest słabością, umiejętność stworzenia prawdziwie przypadkowej liczby okazuje się bronią absolutną.