Российские физики разработали новый квантовый генератор случайных чисел

Физики из МГУ, Академии криптографии РФ и Института физики твёрдого тела РАН разработали генератор случайных чисел, который использует явление квантовой неопределённости. Устройство уже прошло стандартные тесты. Научная статья опубликована в журнале Laser Physics Letters.

Современному миру очень нужны генераторы случайных чисел. Без них немыслимо шифрование данных, моделирование различных явлений методом Монте-Карло и многое другое.

Проще всего устроены генераторы псевдослучайных чисел. Такой генератор – это компьютерная программа, в которой вся последовательность чисел вычисляется по начальным данным согласно строгому математическому алгоритму. Алгоритм подобран таким образом, что, видя только результат его работы, очень трудно предсказать следующее число. Это и создаёт иллюзию случайности.

Но "очень трудно" не означает "невозможно". Поэтому там, где непредсказуемость важна по-настоящему – например, в шифровании важных данных – применяются генераторы истинно случайных чисел, которые также называются аппаратными генераторами. Они используют какой-нибудь случайный физический процесс, например, тепловой шум в одной из деталей устройства.

Можно сказать, что случайность, которую обеспечивает, например, хаотическое движение молекул, чисто теоретически также не совсем случайность. Так, достаточно знать координаты и скорости молекул и решить нужные уравнения, чтобы предсказать результат. На практике же сделать это невозможно, ведь в одном грамме вещества содержится порядка 10²² молекул. Для сравнения: с момента Большого взрыва прошло примерно 10¹⁷ секунд. Ни один современный компьютер не в состоянии быстро обработать такого рода объём данных.

Кроме того, у инженеров есть претензии к быстродействию и другим характеристикам аппаратных генераторов, что побуждает специалистов постоянно совершенствовать такие устройства.

Так, разработка российских учёных использует принципиально иной источник случайности, чем большинство других генераторов. Это квантовая неопределённость. Согласно фундаментальным законам квантовой механики, у электрона или другой частицы нет траектории, которую можно проследить. Есть лишь вероятность обнаружить частицу в той или иной области пространства. И эту случайность (в отличие от всех описанных выше) невозможно устранить даже теоретически. К слову, подобная неопределённость присуща не только движению частиц, но и, в сущности, всем квантовым процессам.

Добавим чуть-чуть подробностей для гурманов. В генераторе, разработанном российскими физиками, используется регистрация квазиоднофотонного излучения с помощью кремниевого фотоумножителя (SiPM-матрицы). Такой подход позволяет надёжно добиться того, что моменты регистрации фотонов распределены по Пуассону. У этого распределения есть ряд замечательных свойств. Например, количество фотонов, принятых за данный промежуток времени, не зависит от того, сколько их было принято в любой другой, не перекрывающийся с ним промежуток, а одновременная регистрация двух фотонов практически исключена.

Как сообщается в пресс-релизе, устройство уже прошло статистические тесты Национального института стандартов и технологий США (NIST) на случайность. Оно поддерживает генерацию случайной последовательности со скоростью в 64, 75 и 100 мегабит в секунду.

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее рассказывали про алгоритм, который определяет шансы той или иной спортивной команды на выигрыш, а также писали об эффективном квантовом шифровании, которое защитит компьютеры будущего от взломщиков.