Создан самый быстрый метод квантовой генерации случайных чисел

Российские ученые в составе международной исследовательской группы разработали самый быстрый и доступный квантовый генератор случайных чисел. Новое устройство генерирует случайные числа со скоростью 8,05 Гб в секунду и подтверждает их случайный характер в режиме реального времени. Технология актуальна для криптографии и для моделирования сложных систем. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics Review X.

Новый метод генерации истинно случайных чисел, предложенный учеными из НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра, Оксфордского университета, Голдсмитского колледжа и Свободного университета Берлина, основан на использовании квантовых свойств фотонов. Числа, которые производит оптический генератор, в режиме реального времени проходят сертификацию, чтобы подтвердить квантовый характер процесса их генерации.

«Квантовые процессы позволяют генерировать числа, случайность которых гарантируется законами физики. Разрабатываемые на квантовых принципах устройства для генерации случайных чисел имеют ряд важных практических приложений», — рассказывает соавтор работы Алексей Федоров.

Генераторы случайных чисел — важная часть многих алгоритмов, в том числе алгоритмов шифрования и численного моделирования. Они используются при разработке компьютерных игр, игровых автоматов, ключей шифрования, а также могут расширить возможности искусственного интеллекта. Однако во многих случаях все же возможно предсказать, какое число выдаст компьютер, поэтому неслучайная природа случайных чисел — фактор риска при создании шифровальных протоколов для защиты информации. Для решения этой проблемы ученые все чаще обращаются к методам квантовой механики, так как результаты квантовых измерений невозможно точно предсказать.

В ходе эксперимента ученые направляли излучение от источника на один из двух входных портов светоделителя, при этом второй порт оставался пустым. У выходов светоделителя были установлены детекторы, фиксировавшие число попадающих в них фотонов. Поскольку каждый фотон, приходящий на симметричный светоделитель, с одинаковой вероятностью может быть обнаружен в одном из двух выходов светоделителя, невозможно предсказать разницу в количестве фотонов, приходящих на детекторы.

Разработанное устройство не только генерирует случайные числа со скоростью 8,05 Гб в секунду, что делает его самым быстрым из подобных устройств, но и гарантирует случайный характер этих чисел. Прототипы подобных устройств имели скорость на несколько порядков ниже. По мнению авторов, за счет такого процесса сертификации в сочетании с использованием доступных компонентов разработанная ими технология может лечь в основу производства коммерческих генераторов случайных чисел, имеющих широкую область применения. Так, недавно компания Samsung представила мобильный телефон с квантовым генератором случайных чисел, что указывает на востребованность данной технологии на массовом рынке.