Квантовое поле - источник непредсказуемости для современной криптографии

События, которые нам кажутся случайными, на самом деле ими не являются. Невозможно на них влиять, но можно исследовать и определить первичную причину тех или иных происшествий. В повседневной жизни это несущественно, но для некоторых приложений, таких как криптография, случайность играет ключевую роль. Если случайности поддаются анализу и предсказанию, метод шифрования можно считать бесполезным. Но где найти истинный и непредсказуемый случай?

Истинная случайность всегда рядом и является основой нашей Вселенной. В соответствии с квантовой теорией поля, вакуум непрерывно порождает случайные пары частиц и античастиц. Эти события действительно случайны и подчиняются принципу неопределенности Гейзенберга. Они являются изначально вероятностными объектами, все характеристики которых невозможно одновременно измерить и предсказать. Это та монета, которую, независимо от подбрасывания, статистически значимую вероятность выпадения никогда не получим.

Исследователи из институтов Бельгии, Дании и Италии сумели использовать рождение виртуальных частиц в «квантовой пене». Они разработали относительно компактное устройство, генерирующее 100 Гбит случайных данных каждую секунду. Каждый бит в этом потоке представляет собой случайную виртуальную частицу квантового поля.

Виртуальные частицы давно регистрируются различными методами. Они проявляются в тонкостях работы лазеров и в рассеянии их света на различных химических соединениях. Ученые давно ищут надежный метод регистрации виртуальных частиц без сложного и громоздкого оборудования, которое в повседневной жизни использовать невозможно.

В журнале PRX Quantum международная группа ученых предложила устройство на основе интегрированного гомодинного детектора. Оно обеспечивало обнаружение виртуальных частиц в не сколько раз быстрее аналогов и делало это без значительного количества дополнительного оборудования. Особенностью разработки стало решение по снижению помех. Оно определяло источник потенциальных помех и учитывало его воздействие на датчик виртуальных частиц, что существенно повысило чувствительность при обнаружении квантовых явлений.

В результате была создана платформа на чипе, которая надежно выдавала случайные числа для любых задач шифрования. Ученые не могут с уверенностью предсказать, будет ли этому применение найдено в ближайшее время, но с учетом растущих опасений о взломе шифров квантовыми платформами, потребность в истинной случайности давно остро стоит.