En enhedsuafhængig protokol til mere effektiv generering af tilfældige tal

Nylige fremskridt i udviklingen af ​​eksperimentelle Bell-tests har muliggjort implementeringen af ​​en ny type enhedsuafhængig tilfældig talgenerator. Bemærkelsesværdigt, denne nye type tilfældige tal generatorer kan realiseres med ondsindede kvanteenheder, uden at kræve detaljerede modeller af de anvendte kvanteenheder.

Forskere ved University of Colorado/NIST Boulder (CU/NIST Boulder) og NTT Corporation i Japan har for nylig udviklet en protokol til generering af tilfældige tal, der kan implementeres på en række forskellige kvantesystemer. Denne protokol, præsenteret i et papir offentliggjort i Naturfysik , kunne bane vejen for udviklingen af ​​sikrere og mere effektive tilfældige talgeneratorer.

"Vi har været interesseret i at forsøge at forstå, hvordan man bruger kvantesammenfiltring til at bygge en helt ny klasse af tilfældige talgeneratorer, der er, på en eller anden måde, de mest sikre kilder til tilfældighed, som naturen tillader, så vidt vi ved, "Lynden Krister Sham, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org.

I deres tidligere studier, Shalm og hans kolleger forsøgte at udnytte de ikke-lokale egenskaber ved kvantesammenfiltring til at generere tilfældige bits certificeret på en enhedsuafhængig måde. Sikkerheden i deres system afhang primært af, at hackere ikke kan sende information hurtigere end lysets hastighed.

"Vores system adskiller sig fra almindelige tilfældige talgeneratorer, som er afhængige af enten en fysisk proces (f.eks. radioaktivt henfald) eller matematiske algoritmer, " sagde Sham.

I modsætning til det system, som Shalm og hans kolleger har udtænkt, generatorer af tilfældige tal, der er baseret på fysiske processer eller matematiske algoritmer, har brug for en række ekstra forudsætninger for at blive opfyldt. For at producere meget sikre og certificerede tilfældige bits ved hjælp af entanglement, imidlertid, det system, som Shalm og hans kolleger har udtænkt, skal tære på en masse tilfældigheder, hvilket forringer deres systems effektivitet betydeligt.

"Da jeg besøgte CU/NIST Boulder i begyndelsen af ​​2017, Jeg var spændt på at erfare, at den eksperimentelle gruppe ledet af Krister allerede havde evnen til at demonstrere enhedsuafhængig generering af tilfældigheder, " Yanbao Zhang, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Da et sådant eksperiment forbruger mange tilfældige bits, mens det kun genererer et lille antal certificerede tilfældige bits af høj kvalitet, det er ønskeligt at opnå enhedsuafhængig tilfældighedsudvidelse, hvor der genereres flere certificerede outputbits end de forbrugte inputbits."

Sham, Zhang og deres kolleger udtænkte en metode, der udnytter en lille mængde frøtilfældighed til at generere flere kvantebaserede certificerede tilfældige bits end dem, der forbruges af tilfældig talgeneratoren. Dette er en af ​​de primære funktioner, der adskiller deres system fra andre tilfældige tal generatorer.

"Det er lidt ligesom, hvordan en frøkrystal kan bruges til at dyrke en meget større struktur, "Sagde Shalm." Vi er i stand til at udsende 24% flere tilfældige bits, end vi indtaster i systemet. "

I princippet, systemet udtænkt af Shalm og hans kolleger kunne køres på en måde, der ville give forskere mulighed for uendeligt at udvide inputfrøens tilfældighed. For at opnå tilfældighedsudvidelse, holdet på CU/NIST Boulder og NTT måtte presse deres eksperimentelle systemer til deres nuværende grænser, da deres tekniske krav er utroligt krævende.

For at udvide input-seed-tilfældigheden til flere tilfældige bits certificeret på en enhedsuafhængig måde, forskerne måtte gøre en smart brug af disse frøstumper. Systemer opnår typisk dette ved at køre en speciel test på sammenfiltrede partikler, kendt som en 'smuthul-fri Bell-test'.

"I stedet for at køre denne test, som forbruger tilfældighed, på alle de sammenfiltrede fotoner, vi producerer, vi 'punktchecker' nogle af fotonerne tilfældigt for at sikre, at systemet opfører sig som forventet, " sagde Shalm. "Det ligner, hvordan en fødevareinspektør måske kun udvælger en lille, men tilfældig prøve af tomater til test i stedet for at teste hver tomat i en indgående forsendelse. Vores stikprøveprotokol fungerer på samme måde, men vi skal passe meget på at sikre, at systemet, der skal stikprøves, ikke bliver snydt."

I sammenhæng med "tomat"-analogien leveret af Sham, hvis tomater blev lagt i kasser med 2 ^k tomater hver, andre stikprøveprotokoller udviklet i fortiden ville kræve, at hver tomat i en æske vælges tilfældigt med en lille sandsynlighed. På den anden side, protokollen udarbejdet af Sham, Zhang og deres kolleger ville kun kræve, at én tomat i en æske blev udvalgt ensartet tilfældigt.

"For at tjekke en kasse med tomater, den sædvanlige protokol bruger således 2 ^k forspændte tilfældige bits, mens vores protokol kun bruger k ensartet tilfældige bits, " sagde Zhang. "I praksis, ensartet tilfældige bit i stedet for forspændte tilfældige bits er let tilgængelige fra kilder såsom NIST tilfældighedsbeacon. Derfor, vores stikprøveprotokol er eksperimentelt mere venlig."

Den nylige undersøgelse af Sham, Zhang og deres kolleger kunne i sidste ende muliggøre den eksperimentelle realisering af uendelig enhedsuafhængig tilfældighedsudvidelse. I øvrigt, denne undersøgelse kunne hjælpe den nuværende forståelse af kvantemekanikkens tilfældighed og nogle af dens grundlæggende grænser.

"Fra et mere praktisk synspunkt, vores eksperiment er et eksempel på proto-kvante netværk, hvor sammenfiltrede partikler udveksles og opereres under stringente betingelser for at udføre opgaver, som ikke er mulige af noget andet klassisk (eller lokalt kvante) system, " sagde Shalm. "Disse ikke-lokale kvantenetværk er fascinerende fra både et grundlæggende og praktisk synspunkt."

I fremtiden, systemet udviklet af Sham, Zhang og deres kolleger kunne bruges til at udvikle kompakte og yderst sikre tilfældige talgeneratorer. I øjeblikket, enhedsuafhængige generatorer er for komplekse til at blive implementeret på kompakte enheder eller smartphones. For at overvinde denne begrænsning, forskerne forsøger i øjeblikket at integrere deres enhedsuafhængige tilfældige talgenerator i offentlige tilfældighedsbeacons, der udsender tilfældige bits med periodiske intervaller.

"Denne brug af vores system kan tjene enhver applikation, der kræver et tilfældigt udvalg af forskellige ressourcer, " sagde Shalm. "I denne sammenhæng, vores tilfældige talgenerator kunne bruges til at udvælge personer til nævningeting, for at hjælpe med tilfældigt at revidere valgsystemer, eller endda at hjælpe med at udarbejde kongresdistrikter på en retfærdig og partipolitisk måde for at bekæmpe gerrymandering. Ved at bruge vores system, vi kunne også lade kvantemekanikken tegne vores valgdistrikter i stedet for politikere."

Sham, Zhang og deres kolleger var blandt de første til at realisere enhedsuafhængig tilfældighedsudvidelse, en stærk form for tilfældighedsudvidelse, som klassiske systemer ikke kan opnå. I fremtiden, deres arbejde kunne inspirere andre teams til at skabe lignende protokoller til almindelige kvantetilfældige talgeneratorer.

"Vi arbejder nu på at omdanne vores tilfældige talgenerator til en fuldgyldig service, " sagde Shalm. "Det er forbløffende for mig, at vi kan tage noget, der har sin oprindelse i nogle af de tidligste debatter om kvanteteoriens filosofiske natur, og gøre det til en sikker offentlig tjeneste."

Eksperimentet udført af Shalm, Zhang og deres kolleger strakte sig over to uger. I disse to uger, forskerne indsamlede ca. 110 timers data. I deres næste studier, de vil gerne forbedre deres systems effektivitet, giver den mulighed for at realisere enhedsuafhængig tilfældighedsudvidelse inden for et par timer efter eksperimentel kørsel.

"Ud over, vores nuværende sikkerhedsanalyse fungerer i nærværelse af en klassisk hacker, der har vilkårlig klassisk sideinformation om outputtilfældighed, men som ikke deler nogen sammenfiltring med de anvendte kvanteenheder, " sagde Zhang. "I fremtiden, vi vil gerne forbedre sikkerheden for de tilfældige udgangsbits mod den mere kraftfulde kvantehacker, der er fuldstændig viklet ind i vores kvanteenheder."

© 2021 Science X Network