Quantengenerierte Zufallszahlen setzen neue Maßstäbe in der Genauigkeit

• Wissenschaftler erzeugen mithilfe der Quantenmechanik absolute Zufallszahlen. 
• Die Technik besteht darin, digitale Bits mit Lichtteilchen, Photonen, zu erzeugen.
• Es könnte letztendlich die kryptografischen und Sicherheitssysteme verbessern. 

Wissenschaftler am NIST (National Institute of Standards and Technology) haben eine neue Technik entwickelt, um mithilfe der Quantenmechanik eine wertvollere Zufallszahl zu erzeugen. Jetzt übertrifft die Unvorhersehbarkeit von Zufallszahlen alle bisher verwendeten Methoden und verbessert kryptografische und Sicherheitssysteme.

Was ist das Problem mit bestehenden Systemen, haben Sie gefragt? Nun, sie erzeugen im absoluten Sinne keine Zufallszahl. Eine von der Maschine oder Softwareformeln zufällig erzeugte Zahl kann durch zahlreiche Faktoren, einschließlich vorhersehbarer Rauschquellen, untergraben werden. Sie können zwar statistische Tests durchführen, aber kein Test auf Grundlage des Ergebnisses allein kann garantieren, dass das Ergebnis unvorhersehbar war.

Zufallszahlen werden täglich milliardenfach zur Verschlüsselung privater Informationen in elektronischen Netzwerken verwendet. Da jedoch niemand garantieren kann, dass die herkömmliche Quelle wirklich unvorhersehbar ist, schränkt dies die Stärke von Sicherheitssystemen ein. Es ist so etwas wie das Werfen einer Münze:Es scheint zufällig zu sein, aber man kann das Ergebnis erkennen, wenn man den Weg der Münze verfolgt, während sie fällt.

Allerdings ist die neue Methode auf Quantenquelle und -protokoll angewiesen. Und Forscher sind sich ziemlich sicher, dass niemand die quantenbasierten Ergebnisse vorhersagen kann. Nur eine Quantenmaschine könnte die statistischen Korrelationen zwischen Ausgaben und Messmöglichkeiten erzeugen.

Wie funktioniert es?

Bei der neuen Technik werden digitale Bits (0er und 1er) mit Lichtteilchen, Photonen, erzeugt. Es basiert auf dem vorherigen NIST-Experiment „Spukhafte Wirkung aus der Ferne ist real“, das eine wichtige Vorhersage der Quantenmechanik stark unterstützte. Das neue Werk erzeugt jedoch eine Folge viel realerer Zufallsbits.

Genauer gesagt nutzt die Zufallsgenerierung einen „lückenfreien“ Bell-Test, der durch raumähnliche Trennung und Nachweiseffizienz der Messstationen während experimenteller Versuche gekennzeichnet ist.

Bell-Ungleichungen 

Das nächste, was es zu verstehen gilt, ist der Bell-Test, bei dem Messungen an einem verschränkten System mit Modulen durchgeführt werden, die in zwei separaten Messstationen platziert sind. An jeder Station wird eine Auswahl getroffen (zwischen einer von zwei Messarten).

Wenn die Messdaten nach mehreren Versuchen gegen bestimmte Szenarien verstoßen, die als „Bell-Ungleichungen“ bezeichnet werden, wird bestätigt, dass die Daten unter schwachen Annahmen zufällig sind.

Alle Teile sind unvorhersehbar, wenn man zwei wichtige Punkte annimmt –

1. Messeinstellungen sind unabhängig von den Geräten und den vorhandenen klassischen Daten darüber.
2. In jedem experimentellen Versuch sind die Messergebnisse an jeder Station unabhängig von den Konfigurationen an der anderen Station.

Ersteres ist nicht überprüfbar, aber da man die Messeinstellungen unabhängig auswählen kann, greift es bei der Interpretation häufig auf mehrere Gesetze der Physik und wissenschaftlicher Experimente zurück. Der zweite Punkt kann nur verletzt werden, wenn Signale schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden können.

Referenz:Natur | doi:10.1038/s41586-018-0019-0 | NIST

Zufallszahl generieren 

Der Prozess der Zufallszahlengenerierung kann in zwei Schritte unterteilt werden – die Generierung langer Zeichenfolgen und die Extraktion.

Zunächst verwendeten die Forscher ein gruseliges Aktionsexperiment, um mithilfe eines Bell-Tests eine lange Folge von Bits zu erstellen. Sie berechneten Korrelationen zwischen den Eigenschaften von Photonenpaaren. Der Zeitfaktor stellt sicher, dass die Zusammenhänge nicht durch herkömmliche Prozesse wie bestehende Szenarien oder den Datenaustausch mit Unterlichtgeschwindigkeit nachgewiesen werden können.

Die Quantenmechanik wurde mithilfe statistischer Tests verifiziert, und diese Informationen ermöglichten es Wissenschaftlern, die Zufälligkeit in der langen Zeichenfolge zu quantifizieren.

Bildnachweis: Shalm / NIST

Wie Sie im Versuchsaufbau sehen können, trifft ein Laserstrahl auf einen einzigartigen Kristall und wird in miteinander verschränkte Photonenpaare umgewandelt. Photonen werden weiter berechnet, um eine Folge absoluter Zufallszahlen zu erzeugen. 

Allerdings konnte die Zufälligkeit nicht richtig über die gesamte Zeichenfolge verteilt werden. Beispielsweise können fast alle Bits 1 sein, wobei keines oder nur sehr wenige 0 sind. Um eine einheitliche, kleine Zeichenfolge mit echter Zufälligkeit zu erhalten (in der jedes Bit eine Wahrscheinlichkeit von 0,5 hat, 1 oder 0 zu sein), führen Forscher den zweiten Schritt durch – die Extraktion.

Sie entwickelten eine spezielle Software, um die Bell-Testdaten in eine kleinere, einheitliche Zeichenfolge umzuwandeln.

Die Gesamtmethode erfordert zwei unabhängige Zeichenfolgen (die zufällige Bits enthalten, die mit herkömmlichen Methoden generiert wurden), um Messkonfigurationen für Bell-Tests auszuwählen und die Software zu füttern, die die Zufälligkeit aus den Anfangsdaten extrahiert.

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Sie sammelten insgesamt 5 Datensätze, wobei der beste 1.024 Zufallsbits ergab, die gleichmäßig innerhalb von 10-12 verteilt sind, d. h. 1 Billionstel von 1 %.

Dies ist bis heute die beste Methode zur physikalischen Erzeugung von Zufälligkeiten und erhöht so die Sicherheit und ein breites Anwendungsspektrum.