Дослідники ETH Zurich створили «ідеальний кубик» за допомогою квантової заплутаності для сертифікованої випадковості

ETH Цюрихські дослідники під керівництвом Ренато Реннера створили «ідеальний кубик», заплутавши два кюбіти, з’єднані через 30-метровий тунель мікрохвильовими фотонами, а потім вдосконаливши вихід за допомогою екстрактора з двох джерел. Експеримент, опублікований у Nature, генерує випадкові числа, непередбачуваність яких підтверджена фізикою, що вказує на застосування в криптографії та іграх, які не можуть змоделювати класичні генератори.

Усередині 30-метрового тунелю в Цюриху два кюбіти обмінювалися мікрохвильовими шепотами, і на виході з’явилися числа, які жодна машина не могла спростувати. Команда ETH з Цюриху під керівництвом Ренато Реннера використала заплутаність та двохджерельний екстрактор, щоб створити потік випадковості, яка підтверджена фізикою, а не припущеннями щодо апаратного забезпечення. Результат підриває старе впевненість у детермінізмі, одночасно вказуючи на практичні застосування, такі як криптографія та лотерейні системи. Опубліковано в Nature, робота стверджує, що непередбачуваність — це не недолік вимірювання, а вбудована риса реальності.

Щоденне життя виглядає передбачуваним, але квантова фізика постійно витягує килимок під ногами. На найменших масштабах результати не можна точно визначити, і ця невизначеність — не недолік наших приладів, а спосіб, яким поводиться природа. Вчені довго питалися, чи можна використати цей незводимий хаос для отримання чистої випадковості. Дослідники з ETH Цюриха зараз стверджують, що так, і їхні докази вражають.

Під керівництвом криптографа Ренато Реннера команда створила те, що вони називають «ідеальним кубиком» — систему, яка генерує біти, які ніхто не може передбачити, навіть її створювачі. Установка використовувала квантову заплутаність між 2 кюбітами, зв’язаними мікрохвильовими фотонами на відстані приблизно 98 футів. Вимірювання на одному кюбіті корелювали з іншим, але окремі результати залишалися фундаментально невідомими.

Сирі результати цих вимірювань були оброблені за допомогою «екстрактора з двох джерел» — техніки, яка очищає слабо випадкові вхідні дані до доведено випадкових вихідних. Ця вимога ґрунтується на фізиці, а не на довірі до внутрішньої роботи пристрою. Іншими словами, випадковість підтверджується структурою експерименту та самою квантовою теорією. Робота опублікована у Nature і ґрунтується на десятиліттях досліджень тестів Белла, які виключають приховані класичні змінні.

Цей підхід відрізняється від типових генераторів, які залежать від алгоритмів або хаотичного електромагнітного шуму. Тут вихідні дані базуються на законах квантової механіки. Безпосередньою метою є криптографія, де безпека ключів залежить від непередбачуваності. Банки, хмарні провайдери та апаратні модулі безпеки можуть використовувати ці сертифіковані біти для генерації ключів, безпечного завантаження та високоставкової автентифікації.

Геймінг і лотереї також є очевидними кандидатами, хоча масштабування та витрати визначать темпи. Дослідники також трактують цей результат як доказ квантової переваги — галузі, де класичні машини не можуть забезпечити таку ж гарантію. Для розробників і CISO практичний висновок простий: ентропія, підтверджена фізикою, може підвищити мінімальний рівень безпеки архітектур, які все ще залежать від псевдовипадкових посівів.

Поза інструментами та протоколами цей результат впливає на довготривалу дискусію. Якщо певні вихідні дані підтверджено поза межами передбачення, то невизначеність — це не просто невідомість, а щось, що закладено в саму реальність. Це підтримує ймовірнісний погляд на квантову механіку та звужує простір для прихованих детерміністських пояснень. Вона також переосмислює моделі ризику: деяка невизначеність не може бути згладжена усередненням, її можна лише поважати та, як показано тут, використовувати.