Täydellinen satunnaisuus toteutui ensimmäistä kertaa

Täydellisen satunnaisuuden luominen on yllättävän vaikeaa. Edes nykyaikaiset satunnaislukugeneraattorit eivät koskaan tuota täysin ideaalisia satunnaislukuja: pienet systemaattiset virheet voivat johtaa siihen, että jotkut luvut esiintyvät hieman useammin kuin toiset. Monissa sovelluksissa tällä ei ole merkitystä. Kryptografiassa pienimmätkin poikkeamat voivat kuitenkin olla ongelmallisia.

Nyt ETH Zürichin tutkijat, joita johtavat Renato Renner ja Andreas Wallraff fysiikan laitokselta, ovat osoittaneet, kuinka täydellinen satunnaisuus voidaan todella luoda kvanttifysiikan avulla.

Heidän Nature-lehdessä juuri julkaisemansa tulokset edustavat virstanpylvästä tällä tutkimusalueella.

”Se saattaa tuntua oudolta, mutta täydellisen kolikon tai täydellisen noppaan luominen on lähes mahdotonta”, Renner sanoo.

Mutta nyt Wallraffin ja Rennerin tiimit ovat löytäneet tavan ottaa epätäydellinen satunnaisuus ja silti poimia siitä täydellisesti satunnaisia lukuja. He kutsuvat menetelmäänsä satunnaisuuden vahvistamiseksi.

”Tämä mahdollistettiin parannetulla Bell-testillä, jolla saavutetaan samanaikaisesti korkea laatu ja suuri tiedonsiirtonopeus”, Wallraff sanoo.

Tieteellisteknisesti Wallraff ja hänen tiiminsä tekivät kahden kubitin tarkan mittaustyypin (tai teknisessä ammattikielessä ”mittausperusteen”) valinnan epätäydellisen satunnaislukugeneraattorin varaan. Rennerin työtoverit pystyivät sitten vahvistamaan mittaustulosten satunnaisuutta entisestään käyttämällä erityistä algoritmia. ”Tuloksena oleva nollien ja ykkösten sarja on nyt todella täysin satunnainen, ja voimme jopa varmistaa sen”, Renner sanoo. Hän vertaa tätä tulosta harjanteen ylittämiseen: ”Tekniset parannukset mahdollistivat meille ensimmäistä kertaa satunnaislukujen luomisen, jotka pysyvät täysin satunnaisina ikuisesti – riippumatta siitä, mitä analyyttisiä menetelmiä niiden satunnaisuuden arvioimiseen käytetään.”

Pitkällä aikavälillä tällä työllä voisi olla samanlainen rooli digitaalisessa turvallisuudessa kuin atomikelloilla ajanotossa: fyysisesti sertifioitu satunnaisuuden lähde, johon muut järjestelmät voivat luottaa.

Mahdollisia sovelluksia ovat arkaluonteisen viestinnän ja digitaalisten identiteettien salaus julkisiin satunnaisuuspalveluihin lottoihin ja lohkoketjusovelluksiin.

Tällaisista menetelmistä voi tulla ratkaisevan tärkeitä kvanttiturvallisille viestintäjärjestelmille. Tämä johtuu siitä, että jopa vahvimmat kryptografiset menetelmät ovat vain yhtä turvallisia kuin satunnaisluvut, joihin ne perustuvat: mitä parempi satunnaisuus, sitä vankempi salaus – jos se on heikko, koko järjestelmästä tulee haavoittuvainen.

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat realisoivat kvanttilaskennalla sertifioidun satunnaisuuden

DNA:n satunnaisuutta ja järjestyksellisyyttä hyödyntäen