Liczby losowe ze splątanych cząstek

Generowanie liczb losowanych nie jest łatwym zadaniem. Wprawdzie do obliczeń symulacyjnych środkiem wyboru są tak zwane liczby pseudolosowe generowane za pomocą algorytmów, ale takie metody raczej nie nadają się do tworzenia losowych kluczy kryptograficznych, ponieważ ich wyniki w sposób deterministyczny zależą od zastosowanej wartości początkowej (seed).

Dlatego też w kryptografii element przypadkowy musi pochodzić z zewnętrznego systemu, z kombinacji niedających się przewidzieć wydarzeń albo ze specjalnego sprzętowego generatora. Jednak na podstawie wytworzonych wartości nie można z całą pewnością stwierdzić, czy losowość w wyniku wpływów z zewnątrz nie jest tylko symulowana.

Jedynej prawdziwej losowości dostarczają efekty kwantowe. Jednak i w ich przypadku ewentualne manipulacje systemem były do tej pory niemożliwe do wykazania z całą pewnością. Ten problem rozwiązali po raz pierwszy naukowcy z Joint Quantum Institute należącym do University of Maryland wspólnie z europejskimi kolegami, stosując nową metodę. Polega ona na tworzeniu splątanych systemów kwantowych (np. dwóch fotonów albo atomów). To znaczy, że stany tych cząstek przestają być od siebie niezależne. Kiedy tylko jeden z dwóch systemów zostanie zmierzony, drugi bez czasowego opóźnienia pokazuje uzależnioną od niego wartość pomiaru, np. tę samą polaryzację. Mimo że są one przestrzennie rozdzielone, zachowują się tak, jakby były na sztywno połączone. Takie splątanie cząstek jest sprzeczne z doświadczeniem świata codziennego, można je
zaobserwować tylko w mikroskopijnych systemach kwantowych.

Naukowcy wykorzystali ten wniosek w odwrotnej postaci: kiedy dwa systemy są splątane, muszą zachowywać się w sposób zgodny z zasadami mechaniki kwantowej i nie mogą być sterowane z zewnątrz. To oznacza, że generowana przez nie liczba przypadkowa nie może ulegać wpływom zewnętrznym. W tym celu badacze przechwytują dwa atomy w dwóch całkowicie oddzielonych od siebie pułapkach odległych o metr i pozwalają im emitować fotony, za pomocą których zostają one ze sobą splątane. Kiedy tylko oba atomy jednocześnie wysyłają fotony, dochodzi do skrzyżowania. To, czy rzeczywiście taki fakt zaistniał, naukowcy sprawdzają za pomocą nierówności Bella, które są naruszane zawsze wtedy, gdy prawa klasycznej fizyki przestają obowiązywać. Oba atomy są w tym celu obracane w przypadkowy sposób, a emitowane przez nie fotony mierzone. Kiedy nierówności są naruszane, z mierzonych fotonów daje się odczytać przypadkowy bit.

W ten sposób po 3 tysiącach pomiarów powstają 4. prawdziwie losowe bity z 99-procentowym poziomem pewności. Do zadań praktycznych taki system jest na razie zbyt powolny i wymaga zbyt wielu nakładów. Jednak dla powodzenia takich prób istotna jest zasada fizyczna, a nie jej konkretna realizacja.

Projekt był finansowany między innymi ze środków UE: z projektów PERCENT (Percolating entanglement and quantum information resources through quantum networks) i QORE (Quantum correlations) przeznaczono na niego 9 milionów euro. Pełny raport z badań został opublikowany w magazynie "Nature".

wydanie internetowe www.heise-online.pl