Исследователи ETH Zurich создали «идеальную кость» с использованием квантовой запутанности для сертифицированной случайности

ETH Цюрихские исследователи под руководством Ренато Реннера создали «идеальную кость», запутав два кубита, соединённых через 30-метровый туннель с микроволновыми фотонами, а затем уточнив выходные данные с помощью экстрактора на два источника. Эксперимент, опубликованный в Nature, генерирует случайные числа, не предсказуемость которых подтверждена физикой, что указывает на применение в криптографии и играх, недоступное классическим генераторам.

Внутри 30-метрового тоннеля в Цюрихе два кубита обменивались микроволновыми шепотами, и на выходе появились числа, которые ни одна машина не могла опровергнуть. Группа ETH из Цюриха под руководством Ренато Реннера использовала запутанность и двухисточниковый экстрактор для создания потока случайности, сертифицированной физикой, а не предположениями о аппаратном обеспечении. Результат подрывает старое убеждение в детерминизме и напрямую указывает на практические применения, такие как криптография и лотерейные системы. Опубликовано в Nature, работа утверждает, что непредсказуемость — это не ошибка измерения, а встроенная особенность реальности.

Повседневная жизнь кажется предсказуемой, но квантовая физика продолжает убирать ковер из-под ног. На самых малых масштабах результаты отказываются быть точно определенными, и эта неопределенность — не ошибка наших приборов, а то, как ведет себя природа. Ученые давно задавались вопросом, можно ли использовать эту неустранимую хаотичность для создания чистой случайности. Исследователи из ETH Цюриха теперь говорят, что да, и их доказательства впечатляют.

Под руководством криптографа Ренато Реннера команда создала то, что они называют «совершенным кубиком» — систему, генерирующую биты, которые невозможно предсказать, даже её создателям. В установке использовалось квантовое запутывание между двумя кубитами, связанными микроволновыми фотонами на расстоянии примерно 98 футов. Измерения одного кубита коррелировали с другим, но отдельные результаты оставались фундаментально непознаваемыми.

Исходные результаты этих измерений были затем обработаны с помощью «двухисточникового экстрактора» — техники, которая очищает слабо случайные входные данные до доказуемо случайных выходных. Утверждение основано на физике, а не на доверии к внутреннему устройству прибора. Другими словами, случайность сертифицирована структурой эксперимента и самой квантовой теорией. Работа опубликована в Nature и опирается на десятилетия исследований тестов Белла, исключающих скрытые классические переменные.

Этот подход отличается от типичных генераторов, основанных на алгоритмах или хаотичном фоновом шуме. Здесь выходные данные основаны на законах квантовой механики. Непосредственная цель — криптография, где безопасность ключей зависит от непредсказуемости. Банки, облачные провайдеры и аппаратные модули безопасности могут использовать эти сертифицированные биты для генерации ключей, безопасной загрузки и высоконадежной аутентификации.

Игры и лотереи также являются очевидными кандидатами, хотя масштабируемость и стоимость определят темпы. Исследователи также интерпретируют результат как доказательство квантового преимущества — области, где классические машины не могут обеспечить такую же гарантию. Для разработчиков и CISO практический вывод прост: энтропия, основанная на физике, может повысить минимальный уровень безопасности архитектур, которые все еще зависят от псевдослучайных семян.

Помимо инструментов и протоколов, этот результат смещает давнюю дискуссию. Если определённые результаты доказуемо выходят за пределы предсказания, то неопределённость — это не просто незнание, а неотъемлемая часть реальности. Это поддерживает вероятностную интерпретацию квантовой механики и сужает пространство для скрыто-детерминистских объяснений. Он также переосмысливает модели риска: некоторая неопределённость не может быть усреднена, её можно только уважать и, как показано здесь, использовать.