На кафедре квантовой электроники создали квантовый генератор случайных чисел

Группой ученых из лаборатории квантовых оптических технологий физического факультета МГУ М.В. Ломоносова, Академии Криптографии Российской Федерации и Института физики твердого тела РАН экспериментально реализован компактный высокоскоростной квантовый генератор случайных чисел, использующий регистрацию квазиоднофотонного излучения матрицей SiPM (Silicon Photo-Multiplier), что позволяет надежно достичь пуассоновской статистики фотоотсчетов. Исследование опубликовано в журналах Письма в ЖЭТФ и Laser Physics Letters.

«Развитие современных квантовых технологий открыло новые перспективы для создания систем защищенной связи. Наиболее яркий пример - квантовая криптография. Для распределения секретных ключей в системах квантовой криптографии требуется большое количество случайных последовательностей 0 и 1. Для этих целей используются квантовые генераторы случайных чисел», - комментирует профессор физического факультета, руководитель лаборатории квантовых оптических технологий, автор статьи С.П. Кулик.

Выбор и использование оптимальной группировки фотоотсчетов для исходной последовательности актов фотодетектирования и полиномиального по длине последовательности метода извлечения случайной последовательности 0 и 1, позволил достичь скорости выходной доказуемо случайной последовательности в 64 Mbit/s, 75 Mbit/s и 100 Mbit/s. Скорость генерации случайной последовательности зависит от типа используемого SiPM. Случайные последовательности успешно прошли статистические тесты NIST.

«Случайные числа широко используются в различных областях науки и техники, например, при вычислении многомерных интегралов, моделировании различных процессов методом Монте-Карло. Наиболее широкое применение  случайные числа находят в криптографии. Случайные последовательности используются для секретных ключей в системах симметричного шифрования, генерации паролей, PIN кодов для различных типов пластиковых карт, кодов аутентификации, вероятностных алгоритмов и систем квантового распределения ключей. Практически для всех упомянутых применений требуются случайные числа, полученные исключительно с физических генераторов.

Все генераторы случайных чисел можно разделить на два класса. Первый класс -- генераторы, основанные на некоторых математических преобразованиях, как правило, рекурентных, затравочного числа, обычно случайного. Такие генераторы выдают псевдослучайную последовательность. При известном алгоритме вся случайность связана с неопределенностью затравочного числа.

Второй класс -- физические генераторы. Случайная последовательность возникает как результат измерения состояния физической системы. Если эволюция системы описывается законами классической физики, то  случайность связана только с неопределенностью начальных условий. Даже при сложном законе классической эволюции начальные условия, в принципе, могут быть восстановлены. После этого эволюция системы будет полностью предсказуемой. Т.е. с логической точки зрения последовательности также будут псевдослучайными, поскольку могут быть в принципе восстановлены по начальным условиям и известному закону эволюции системы.

В этом смысле только квантовые генераторы случайных чисел, представляющие отдельный тип физических генераторов, могут производить истинную случайную последовательность" - прокомментировал один из Авторов статей профессор С.Н.Молотков.

"Результаты измерений над квантовой системой, приготовленной каждый раз в одном и том же состоянии, носят принципиально случайный характер. Поэтому истинная случайность имеет место только в квантовой области», - заключил С.П. Кулик.

При реализации квантовых генераторов случайных чисел принципиально важно иметь математически доказуемый и физически экспериментально проверяемый процесс измерений над системой, из которого генерируется исходная случайная последовательность. Это позволяет быть уверенным, что происхождение случайности действительно имеет квантовую природу.