Учени от американския Национален институт за стандарти и технологии NIST и Университета на Колорадо в Боулдър са създали CURBy, авангарден квантов генератор на случайни числа, който се основава на присъщата непредсказуемост на квантовото вплитане. За разлика от традиционните методи, CURBy е проследим, прозрачен и проверим благодарение на квантовата физика и протоколи, подобни на блокчейн. Това постижение има приложения в реалния свят, вариращи от киберсигурност до лотарии, и е с отворен код, готов да бъде използван и надграждан.
Случайността е изключително полезна. Хората често теглят сламки, хвърлят зарове или монети, за да направят честен избор. Случайните числа могат да позволят на одиторите да правят напълно безпристрастен избор. Случайността е ключова и за сигурността, ако паролата или кодът е неотгадаема поредица от числа, е по-трудно да се разгадае. Много от нашите криптографски системи днес използват генератори на случайни числа, за да генерират защитени ключове.
Но как да се разбере, че едно случайно число е наистина случайно? Класическите компютърни алгоритми могат да създават само псевдослучайни числа и някой с достатъчно познания за алгоритъма или системата би могъл да го манипулира или да предскаже следващото число. Експерт по ловкост на ръцете би могъл да манипулира хвърляне на монета, за да гарантира резултат ези или тура. Дори най-внимателните хвърляния на монети могат да бъдат пристрастни, защото с достатъчно проучване резултатите от тях биха могли да бъдат предсказани.
"Истинската случайност е нещо, което нищо във Вселената не може да предскаже предварително", обяснява Кристер Шалм (Krister Shalm), физик от Националния институт за стандарти и технологии (NIST). Дори ако генератор на случайни числа използва привидно случайни процеси в природата, би било трудно да се провери дали тези числа наистина са случайни, добавя Шалм.
Айнщайн е вярвал, че природата не е случайна, като е казал известното си твърдение: "Бог не играе на зарове с Вселената". Учените оттогава са доказали, че Айнщайн греши. За разлика от заровете или компютърните алгоритми, квантовата механика е по своята същност случайна. Провеждайки квантов експеримент, наречен тест на Бел, Шалм и екипът му са трансформирали този източник на истинска квантова случайност в проследима и сертифицируема услуга за случайни числа.
"Ако Бог наистина играе на зарове с Вселената, тогава може да се превърне това в най-добрия генератор на случайни числа, който Вселената позволява", отбелязва Шалм. "Наистина искахме да изнесем този експеримент извън лабораторията и да го превърнем в полезна обществена услуга."
За да се случи това, изследователи от NIST и техните колеги от Университета на Колорадо, Боулдър, създават Colorado University Randomness Beacon (CURBy). CURBy генерира случайни числа автоматично и ги излъчва ежедневно чрез уебсайт, който всеки може да използва.
В основата на тази услуга е тестът на Бел, провеждан от NIST, който предоставя наистина случайни резултати. Тази случайност действа като вид суровина, която останалата част от изследователската установка "преработва" в случайни числа, публикувани от CURBy.
Тестът на Бел измерва двойки "вплетени" фотони, чиито свойства са корелирани, дори когато са разделени от огромни разстояния. Когато изследователите измерват отделна частица, резултатът е случаен, но свойствата на двойката са по-корелирани, отколкото позволява класическата физика, което позволява на изследователите да проверят случайността. Айнщайн нарича тази квантова нелокалност "призрачно действие на разстояние".
Това е първата услуга за генериране на случайни числа, която използва квантова нелокалност като източник на своите числа, и най-прозрачният източник на случайни числа до момента. Това е така, защото резултатите са сертифицируеми и проследими в по-голяма степен от всякога.
"CURBy е една от първите публично достъпни услуги, която работи с доказуемо предимство на квантовата физика. Това е голямо постижение за нас", обяснява Шалм. "Качеството и произходът на тези случайни битове могат да бъдат директно сертифицирани по начин, по който конвенционалните генератори на случайни числа не могат."
През 2015 г. NIST провежда един от първите пълни експериментални тестове на Бел, който твърдо установява, че квантовата механика е наистина случайна. През 2018 г. NIST разработва методи за използване на тези тестове на Бел, за да изгради първите в света източници на истинска случайност.
Превръщането на тези квантови корелации в случайни числа обаче е трудна задача. Първите революционни демонстрации на теста на Бел на NIST са изисквали месеци подготовка, за да се проведат в продължение на няколко часа, и много време, за да се съберат достатъчно данни за генериране на 512 бита истинска случайност. Шалм и екипът прекарват последните няколко години в изграждане на експеримента, за да бъде надежден и да работи автоматично, така че да може да предоставя случайни числа при поискване. През първите 40 дни от работата си протоколът е произвел случайни числа 7434 пъти от 7454 опита, което е 99,7% успеваемост.
Процесът започва с генериране на двойка вплетени фотони вътре в специален нелинеен кристал. Фотоните пътуват чрез оптично влакно до отделни лаборатории в противоположните краища на залата. След като фотоните достигнат лабораториите, тяхната поляризация се измерва. Резултатите от тези измервания са наистина случайни. Този процес се повтаря 250 000 пъти в секунда.
NIST предава милиони от тези квантови хвърляния на монети на компютърна програма в Университета на Колорадо в Боулдър. Използват се специални стъпки за обработка и строги протоколи, за да се превърнат резултатите от квантовите измервания върху вплетени фотони в 512 случайни бита двоичен код (0 и 1). Резултатът е набор от случайни битове, които никой, дори Айнщайн, не би могъл да предвиди. В известен смисъл тази система действа като най-доброто хвърляне на монети във Вселената.
NIST и неговите сътрудници са добавили възможността за проследяване и проверка на всяка стъпка в процеса на генериране на случайност. Те са разработили протокола Twine, нов набор от квантово-съвместими блокчейн технологии, които позволяват на множество различни обекти да работят заедно, за да генерират и сертифицират случайността от теста на Бел. Протоколът Twine маркира всеки набор от данни за CURBy с хеш. Хешовете се използват в блокчейн технологията за маркиране на набори от данни с цифров пръстов отпечатък, което позволява всеки блок от данни да бъде идентифициран и проверен.
Протоколът Twine позволява на всеки потребител да провери данните зад всяко случайно число, обяснява Джаспър Палфри (Jasper Palfree), научен сътрудник по проекта в Университета на Колорадо в Боулдър. Протоколът може да се разшири, за да позволи на други генератори на случайни числа да се присъединят към хеш графиката, създавайки мрежа от случайности, към която всеки допринася, но без индивидуален контрол.
Преплитането на тези хеш вериги действа като времеви печат, свързвайки данните от генератора в проследима структура от данни. То също така осигурява сигурност, позволявайки на участниците в протокола Twine незабавно да забележат манипулация на данните.
CURBy може да се използва навсякъде, където би бил полезен независим, публичен източник на случайни числа, например при избор на кандидати за жури, извършване на случаен избор за одит или разпределяне на ресурси чрез публична лотария.
Справка: Gautam A. Kavuri, Jasper Palfree, Dileep V. Reddy, Yanbao Zhang, Joshua C. Bienfang, Michael D. Mazurek, Mohammad A. Alhejji, Aliza U. Siddiqui, Joseph M. Cavanagh, Aagam Dalal, Carlos Abellán, Waldimar Amaya, Morgan W. Mitchell, Katherine E. Stange, Paul D. Beale, Luís T. A. N. Brandão, Harold Booth, René Peralta, Sae Woo Nam, Richard P. Mirin, Martin J. Stevens, Emanuel Knill, Lynden K. Shalm. Traceable random numbers from a non-local quantum advantage. Nature, 2025; DOI: 10.1038/s41586-025-09054-3
Източник: NIST and Partners Use Quantum Mechanics to Make a Factory for Random Numbers, National Institute of Standards and Technology (NIST)
Още по темата
Физика
Може ли допълнително времево измерение да съгласува квантовото вплитане с локалната причинно-следствена връзка?
Човекът
Вплитането на фотоните може да обясни бързите мозъчни сигнали, които са в основата на съзнанието
Физика
Времето може да е илюзия, създадена от квантовото вплитане
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Как „зеленото побутване“ стимулира устойчивите избори на хората
helper68
Натурални суперколайдери: Черните дупки могат да се използват ускорители на частици
dolivo
Учени възпроизвеждат сияйното египетско синьо, озарявало гробниците на фараоните
dolivo
Революция в залесяването: Японски дронове с изкуствен интелект засаждат дръвчета 10 пъти по-бързо от хората