Recente vorderingen in de ontwikkeling van experimentele Bell-tests hebben de implementatie mogelijk gemaakt van een nieuw type apparaatonafhankelijke generator voor willekeurige getallen. Opmerkelijk, dit nieuwe type generatoren van willekeurige getallen kan worden gerealiseerd met kwaadaardige kwantumapparaten, zonder dat gedetailleerde modellen van de gebruikte kwantumapparaten nodig zijn.

Onderzoekers van de Universiteit van Colorado/NIST Boulder (CU/NIST Boulder) en de NTT Corporation in Japan hebben onlangs een protocol ontwikkeld voor het genereren van willekeurige getallen dat op verschillende kwantumsystemen kan worden geïmplementeerd. Dit protocol, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuurfysica , kan de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van veiligere en effectievere generatoren voor willekeurige getallen.

"We waren geïnteresseerd in het proberen te begrijpen hoe we kwantumverstrengeling kunnen gebruiken om een ​​geheel nieuwe klasse van generatoren voor willekeurige getallen te bouwen die zijn, In zekere zin, de veiligste bronnen van willekeur die de natuur toelaat, zo ver we weten, "Lynden Krister Shalm, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org.

In hun eerdere studies Shalm en zijn collega's probeerden gebruik te maken van de niet-lokale eigenschappen van kwantumverstrengeling om willekeurige bits te genereren die op een apparaatonafhankelijke manier zijn gecertificeerd. De veiligheid van hun systeem hing vooral af van het feit dat hackers geen informatie sneller kunnen verzenden dan de snelheid van het licht.

"Ons systeem verschilt van reguliere random number generators, die afhankelijk zijn van een fysiek proces (bijv. radioactief verval) of wiskundige algoritmen, ' zei Shalm.

In tegenstelling tot het systeem van Shalm en zijn collega's, Random number generators die gebaseerd zijn op fysieke processen of wiskundige algoritmen hebben een aantal extra aannames nodig. Om zeer veilige en gecertificeerde willekeurige bits te produceren met behulp van verstrengeling, echter, het door Shalm en zijn collega's bedachte systeem moet veel willekeur verbruiken, wat de efficiëntie van hun systeem aanzienlijk schaadt.

"Toen ik begin 2017 CU/NIST Boulder bezocht, Ik was opgewonden om te horen dat de experimentele groep onder leiding van Krister al de mogelijkheid had om apparaatonafhankelijke willekeurgeneratie aan te tonen, "Yanbao Zhang, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Omdat een dergelijk experiment veel willekeurige bits verbruikt terwijl het slechts een klein aantal hoogwaardige gecertificeerde willekeurige bits genereert, het is wenselijk om apparaatonafhankelijke willekeursuitbreiding te bereiken, waar meer gecertificeerde uitvoerbits worden gegenereerd dan de verbruikte invoerbits."

Zalm, Zhang en hun collega's bedachten een methode die een kleine hoeveelheid zaad-willekeurigheid gebruikt om meer op kwantum gebaseerde gecertificeerde willekeurige bits te genereren dan die worden verbruikt door de generator voor willekeurige getallen. Dit is een van de belangrijkste kenmerken die hun systeem onderscheidt van andere generatoren voor willekeurige getallen.

"Het is een beetje zoals hoe een zaadkristal kan worden gebruikt om een ​​veel grotere structuur te laten groeien, "Zei Shalm. "We zijn in staat om 24% meer willekeurige bits uit te voeren dan we in het systeem invoeren."

In principe, het systeem dat door Shalm en zijn collega's is bedacht, zou zo kunnen worden uitgevoerd dat onderzoekers de willekeur van de invoerzaad oneindig kunnen uitbreiden. Om willekeursuitbreiding te bereiken, het team van CU/NIST Boulder en NTT moest hun experimentele systemen tot het uiterste drijven, omdat hun technische vereisten ongelooflijk veeleisend zijn.

Om de willekeurigheid van invoerzaad uit te breiden naar meer willekeurige bits die op een apparaatonafhankelijke manier zijn gecertificeerd, de onderzoekers moesten slim gebruik maken van deze zaadjes. Systemen bereiken dit doorgaans door een speciale test uit te voeren op verstrengelde deeltjes, bekend als een 'loophole-free Bell-test'.

"In plaats van deze test uit te voeren, die willekeur verbruikt, op alle verstrengelde fotonen die we produceren, we 'controleren' willekeurig enkele fotonen om er zeker van te zijn dat het systeem zich gedraagt ​​zoals verwacht, " zei Shalm. "Het is vergelijkbaar met hoe een voedselinspecteur slechts een klein maar willekeurig monster tomaten selecteert om te testen in plaats van elke tomaat in een binnenkomende zending te testen. Ons steekproefprotocol werkt op een vergelijkbare manier, maar we moeten er goed op letten dat het te controleren systeem niet wordt bedrogen."

In de context van de 'tomaat'-analogie van Shalm, als tomaten werden opgestapeld in dozen met 2 ^k tomaten per stuk, andere in het verleden ontwikkelde steekproefprotocollen zouden vereisen dat elke tomaat in een doos willekeurig en met een kleine waarschijnlijkheid wordt geselecteerd. Anderzijds, het door Shalm opgestelde protocol, Zhang en hun collega's zouden slechts één tomaat in een doos nodig hebben om uniform willekeurig te worden geselecteerd.

"Om een ​​doos tomaten te controleren, het gebruikelijke protocol verbruikt dus 2 ^k bevooroordeelde willekeurige bits terwijl ons protocol slechts k uniform willekeurige bits verbruikt, " zei Zhang. "In de praktijk, uniform willekeurige bits in plaats van vooringenomen willekeurige bits zijn gemakkelijk toegankelijk via bronnen zoals het NIST-randomheidsbaken. Vandaar, ons steekproefprotocol is experimenteel vriendelijker."

De recente studie van Shalm, Zhang en hun collega's zouden uiteindelijk de experimentele realisatie van oneindige apparaatonafhankelijke willekeurigheidsuitbreiding mogelijk maken. Bovendien, deze studie zou het huidige begrip van de willekeur van de kwantummechanica en enkele van de fundamentele beperkingen ervan kunnen helpen.

"Vanuit een meer praktisch oogpunt, ons experiment is een voorbeeld van proto-kwantumnetwerken waar verstrengelde deeltjes worden uitgewisseld en geëxploiteerd onder strikte omstandigheden om taken uit te voeren die niet mogelijk zijn door een ander klassiek (of lokaal kwantum) systeem, " zei Shalm. "Deze niet-lokale kwantumnetwerken zijn fascinerend vanuit zowel fundamenteel als praktisch oogpunt."

In de toekomst, het door Shalm ontwikkelde systeem, Zhang en hun collega's zouden kunnen worden gebruikt om compacte en zeer veilige generatoren voor willekeurige getallen te ontwikkelen. Momenteel, apparaatonafhankelijke generatoren zijn te complex om te worden geïmplementeerd op compacte apparaten of smartphones. Om deze beperking te overwinnen, de onderzoekers proberen momenteel hun apparaatonafhankelijke generator voor willekeurige getallen te integreren in openbare willekeurigheidsbakens die willekeurige bits met periodieke tussenpozen uitvoeren.

"Dit gebruik van ons systeem zou elke toepassing kunnen dienen die een willekeurige steekproef van verschillende bronnen vereist, " zei Shalm. "In deze context, onze generator voor willekeurige getallen kan worden gebruikt om mensen te selecteren voor juryplicht, voor het helpen bij het willekeurig controleren van verkiezingssystemen, of zelfs om congresdistricten op een eerlijke en onpartijdige manier op te stellen om gerrymandering tegen te gaan. Met behulp van ons systeem, we zouden ook de kwantummechanica onze stemdistricten kunnen laten opstellen in plaats van politici."

Zalm, Zhang en hun collega's behoorden tot de eersten die apparaatonafhankelijke willekeursuitbreiding realiseerden, een sterk type willekeurigheidsuitbreiding die klassieke systemen niet kunnen bereiken. In de toekomst, hun werk zou andere teams kunnen inspireren om vergelijkbare protocollen te maken voor reguliere kwantumgeneratoren voor willekeurige getallen.

"We zijn nu bezig om van onze random number generator een volwaardige dienst te maken, "Zei Shalm. "Het is verbazingwekkend voor mij dat we iets dat zijn oorsprong vindt in enkele van de vroegste debatten over de filosofische aard van de kwantumtheorie kunnen gebruiken en er een veilige openbare dienst van kunnen maken."

Het experiment uitgevoerd door Shalm, Zhang en hun collega's overspanden in de loop van twee weken. In deze twee weken de onderzoekers verzamelden ongeveer 110 uur aan gegevens. In hun volgende studies, ze willen de efficiëntie van hun systeem verbeteren, waardoor het apparaatonafhankelijke willekeurigheidsuitbreiding binnen een paar uur experimentele runtime kan realiseren.

"In aanvulling, onze huidige beveiligingsanalyse werkt in aanwezigheid van een klassieke hacker die willekeurige klassieke neveninformatie heeft over de willekeur van de uitvoer, maar geen enkele verstrengeling deelt met de gebruikte kwantumapparaten, " zei Zhang. "In de toekomst, we willen de beveiliging van de output van willekeurige bits verbeteren tegen de krachtigere kwantumhacker die volledig verstrikt is in onze kwantumapparaten."

© 2021 Science X Network