Các nhà nghiên cứu từ ETH Zurich chế tạo "con súc sắc hoàn hảo" bằng cách sử dụng sự vướng víu lượng tử để tạo ra tính ngẫu nhiên được xác minh

ETH Các nhà nghiên cứu tại Zurich do Renato Renner dẫn đầu đã tạo ra một “con súc sắc hoàn hảo” bằng cách rối hai qubit được kết nối thông qua một đường hầm dài 30 mét bằng photon vi sóng, sau đó tinh chỉnh đầu ra bằng bộ trích xuất hai nguồn. Thí nghiệm được công bố trên Nature tạo ra các số ngẫu nhiên có độ không thể dự đoán được xác nhận bởi vật lý, mở ra các ứng dụng trong mật mã và trò chơi mà các bộ tạo số cổ điển không thể sánh kịp.

Trong một đường hầm dài 30 mét tại Zurich, hai qubit đã trao đổi những thì thầm vi sóng và tạo ra những con số mà không máy móc nào có thể nghi ngờ. Một nhóm ETH tại Zurich do Renato Renner dẫn đầu đã sử dụng sự vướng víu và bộ trích xuất hai nguồn để tạo ra một dòng ngẫu nhiên được xác thực bởi vật lý, chứ không dựa trên các giả định về phần cứng. Kết quả này phá vỡ niềm tin truyền thống về tính xác định, đồng thời hướng thẳng đến các ứng dụng thực tế như mật mã và hệ thống xổ số. Được công bố trên Nature, công trình này lập luận rằng sự không thể dự đoán không phải là lỗi của phép đo, mà là một tính năng vốn có của thực tại.

Cuộc sống hàng ngày cảm giác khá dự đoán được, nhưng vật lý lượng tử liên tục kéo tấm thảm dưới chân bạn. Ở quy mô nhỏ nhất, các kết quả từ chối bị xác định rõ ràng, và sự không chắc chắn này không phải là lỗi của thiết bị chúng ta, mà là cách tự nhiên vận hành. Các nhà khoa học đã lâu nay đặt câu hỏi liệu sự hỗn loạn không thể giảm thiểu này có thể được khai thác để tạo ra sự ngẫu nhiên thuần túy hay không. Các nhà nghiên cứu tại ETH Zurich hiện cho rằng có thể, và bằng chứng của họ rất ấn tượng.

Được dẫn dắt bởi nhà mật mã học Renato Renner, nhóm đã xây dựng một hệ thống mà họ gọi là “con xúc xắc hoàn hảo”, một hệ thống tạo ra các bit mà không ai có thể dự đoán được, ngay cả những người sáng tạo ra nó. Thiết lập sử dụng sự vướng víu lượng tử giữa 2 qubit được liên kết bởi photon vi sóng trong khoảng 98 feet. Các phép đo trên một qubit có mối tương quan với qubit kia, nhưng các kết quả riêng lẻ vẫn hoàn toàn không thể biết trước.

Kết quả thô từ các phép đo sau đó được xử lý bằng một “bộ trích xuất hai nguồn”, một kỹ thuật tinh chế các đầu vào ngẫu nhiên yếu thành các đầu ra có thể chứng minh là ngẫu nhiên. Tuyên bố này dựa trên vật lý, chứ không dựa vào việc tin tưởng vào các thành phần bên trong thiết bị. Nói cách khác, độ ngẫu nhiên được xác thực bởi cấu trúc của thí nghiệm và chính lý thuyết lượng tử. Công trình này được công bố trên Nature và dựa trên hàng thập kỷ nghiên cứu về các bài kiểm tra Bell nhằm loại bỏ các biến cổ điển ẩn.

Tiếp cận này khác với các bộ tạo thông thường dựa trên thuật toán hoặc tiếng ồn môi trường hỗn loạn. Ở đây, đầu ra được căn cứ vào các định luật cơ học lượng tử. Mục tiêu trực tiếp là mật mã học, nơi độ an toàn của khóa phụ thuộc vào tính không thể dự đoán được. Các ngân hàng, nhà cung cấp đám mây và các mô-đun bảo mật phần cứng có thể cung cấp các bit đã được chứng nhận này vào quá trình tạo khóa, khởi động an toàn và xác thực cấp cao.

Trò chơi và xổ số cũng là những ứng cử viên rõ ràng, mặc dù quy mô và chi phí sẽ quyết định tốc độ. Các nhà nghiên cứu cũng xem kết quả này là bằng chứng về lợi thế lượng tử, một lĩnh vực mà các máy cổ điển không thể đảm bảo được. Đối với các nhà phát triển và CISO, thông điệp thực tế rất đơn giản: độ ngẫu nhiên được hỗ trợ bởi vật lý có thể nâng cao mức độ an toàn cho các kiến trúc bảo mật vẫn dựa vào các hạt giống giả ngẫu nhiên.

Ngoài các công cụ và giao thức, kết quả này thúc đẩy một cuộc tranh luận kéo dài. Nếu một số đầu ra nhất định có thể chứng minh là nằm ngoài khả năng dự đoán, thì sự không xác định không chỉ đơn thuần là sự thiếu hiểu biết, mà còn được tích hợp vào bản chất của thực tại. Điều này hỗ trợ quan điểm xác suất trong cơ học lượng tử và thu hẹp không gian cho các giải thích mang tính định luật ẩn. Nó cũng tái định nghĩa các mô hình rủi ro: một số sự không chắc chắn không thể bị trung bình hóa, mà chỉ có thể được tôn trọng và, như được chứng minh ở đây, khai thác.