Міжнародній групі вчених вдалося створити пристрій, що генерує потік випадкових чисел за допомогою принципів невизначеності квантової механіки. Цю розробку, як кажуть автори, в майбутньому можна буде використовувати для створення надійних систем кодування даних.
Статтю вчених у четвер, 15 квітня, було опубліковано в журналі Nature.
Попри те, що програмні алгоритми, так звані генератори випадкових чисел, широко застосовують для кодування даних, які передаються через інтернет, надійність такого методу все ж не абсолютна.
Причина в тому, що всі фізичні процеси, які складають основу роботи електроніки, що генерує випадкові числа, передбачають суворі причинно-наслідкові зв'язки. Іншими словами, результат будь-якого фізичного процесу можна передбачити, володіючи достатньою кількістю даних про систему, в якій він відбувається. Таким чином, знаючи модель кодуючого пристрою та алгоритм кодування, можна легко розшифрувати дані.
"По справжньому випадковими можуть бути лише квантові процеси, але навіть вивчаючи і використовуючи їх ми маємо бути впевнені, що система демонструє саме квантові властивості і не підпадає під закони класичної фізики в момент вимірювань", - сказав один із провідних авторів дослідження, Кріс Монро, співробітник Об'єднаного квантового інституту при Мерілендськом університеті в США.
Таким чином, дані, зашифровані за допомогою послідовності по справжньому випадкових чисел, розшифрувати не знаючи точної їх послідовності неможливо.
По справжньому випадковими можуть бути лише квантові процеси, але навіть вивчаючи і використовуючи їх ми маємо бути впевнені, що система демонструє саме квантові властивості і не підпадає під закони класичної фізики в момент вимірювань"- Монро
Квантові процеси і величини властиві елементарним часткам, таким як протони, електрони і фотони світла. Попри те, що спектр значень, яких можуть набувати ті чи інші параметри цих часток (положення в просторі або величина енергії), може бути визначений заздалегідь, кожного конкретного значення частка набуває тільки в момент власне виміру цієї величини. Цей процес має справді випадковий характер.
Для того, аби переконатися в квантовій природі тих чи інших процесів під час генерації послідовності випадкових чисел, ще в 60-х роках розробили алгоритм, який використовує характерну особливість квантових об'єктів - їхню здатність перебувати в так званому "заплутаному стані". У цьому стані маніпуляції з одним із двох об'єктів, що перебувають у стані квантового заплутування миттєво призводять до зміни стану іншого, незалежно від того, на якій відстані ці два об'єкти перебувають один від одного: одного метра чи мільйону світлових років.
Цей стан, до сьогодні не з'ясований ні з позицій класичної, ні з позицій квантової механіки, тим не менш, може використовуватися як підтвердження "квантовості" параметрів системи, пристосованої для генерації випадкових чисел.
У своїй роботі група вчених на чолі з професором Барселонського університету Антоніо Есіном, зуміла вперше використати для генерації випадкових чисел принципи невизначеності квантової механіки і довести валідність цих принципів під час роботи пристрою.
Для генерації справді випадкових чисел вчені використовували два атоми ітербію, утримуваних у спеціальних пастках, які були ізольовані і перебували на відстані одного метра один від одного. За допомогою відпрацьованих маніпуляцій з одиничними фотонами світла вчені могли в будь-якої миті перевести обидва атоми до заплутаного стану.
Після цього протягом місяця група Есіна займалася генерацією потоку випадкових чисел. Для цього вчені провели понад три тисячі операцій з генерації квантовозаплутаного стану атомів із подальшою зміною положення (повороту) у просторі їхніх пасток за певним алгоритмом і вимірюванням їх внутрішньої енергії самих атомів. Ця енергія, відповідно до параметрів експерименту могла набувати одного з двох можливих значень, які і використовувалися для кодування стану логічного нуля і одиниці. У результаті такої роботи вчені зуміли отримати послідовність із 42 справді випадкових чисел.
"Ми можемо, вперше в історії, впевнено говорити про те, що випадковісті у послідовності чисел було досягнуто під час експерименту без використання деталізованої моделі" - пишуть автори дослідження в своїй статті
Наразі швидкість генерації випадкових чисел нашим пристроєм надзвичайно низька, однак ми очікуємо, що зможемо збільшити її на кілька порядків у майбутньому, у міру того, як розвиватимуться технології квантового заплутування атомів, ймовірно, за допомогою квантових систем, впроваджених у твердотільні мікросхеми" - Монро
Іншими словами, процес генерації випадкових чисел в даному випадку спирається тільки на досягнення стану квантового заплутування і проведення маніпуляцій із заплутаними атомами, без використання даних про те, як стан заплутування було досягнуто.
"Наразі швидкість генерації випадкових чисел нашим пристроєм надзвичайно низька, однак ми очікуємо, що зможемо збільшити її на кілька порядків у майбутньому, у міру того, як розвиватимуться технології квантового заплутування атомів, ймовірно, за допомогою квантових систем, впроваджених у твердотільні мікросхеми", - підсумував Монро.