'S Werelds snelste Quantum Random Number Generator onthuld in China

Privacy is een van de meest gewaardeerde eigenschappen van de samenleving. Het vermogen om privéberichten te verzenden en financiële transacties uit te voeren zonder bang te hoeven zijn om gecontroleerd te worden, vormt de kern van veel overheids-, militaire en commerciële activiteiten.

Een technologie die dit perfect mogelijk maakt, is kwantumcryptografie en vereist een krachtige bron van willekeurige getallen.

Maar er is een probleem. Willekeurige getallen zijn verrassend moeilijk te genereren in grote hoeveelheden. Een van de beste bronnen is de kwantumwereld die fundamenteel willekeurig is. Maar de beste commercieel beschikbare quantumgenerators voor willekeurige getallen produceren ze slechts met een snelheid van een miljoen per seconde, veel minder dan de vele tientallen miljarden per seconde die voor veel toepassingen nodig zijn.

Tegenwoordig lijkt dat veranderd te zijn dankzij het werk van You-Qi Nie in het Hefei National Laboratory for Physical Sciences in China en een paar vrienden die zeggen dat ze een kwantumgenerator voor willekeurige getallen hebben gebouwd die 68 miljard van hen per seconde kan produceren. Ze zeggen dat de techniek een belangrijke barrière moet wegnemen die regeringen, het leger en de rest van ons verhindert te profiteren van perfecte beveiliging.

Willekeurige getallen moeten onvoorspelbaar en niet-reproduceerbaar zijn, en dit sluit uit dat ze worden gegenereerd met behulp van gewone algoritmische processen, die zowel voorspelbaar als reproduceerbaar zijn. Computerwetenschappers weten al lang dat programma's die beweren willekeurige getallen te produceren, meestal niets van dien aard blijken te doen.

In plaats daarvan hebben natuurkundigen zich tot natuurlijke processen gewend om willekeurige getallen te produceren. Men denkt bijvoorbeeld dat turbulentie volledig willekeurig is, dus het meten van de turbulente effecten die de atmosfeer heeft op een laserstraal is een methode om willekeurige getallen te produceren, zij het een vrij langzame en een methode die gemakkelijk kan worden beïnvloed door omgevingsfactoren.

Daarom gebruiken natuurkundigen bij voorkeur kwantumprocessen om willekeurige getallen te genereren. Men denkt dat deze in principe willekeurig en fundamenteel van aard zijn, wat belangrijk is omdat het betekent dat er geen onderliggend fysiek proces kan zijn dat voorspelbaarheid zou kunnen introduceren.

Natuurkundigen hebben veel manieren geprobeerd om willekeurige kwantumgetallen te produceren. Een van de meest populaire is om een ​​stroom fotonen door een bundelsplitser te sturen, die ze met een waarschijnlijkheid van 50 procent doorgeeft of weerkaatst. Door simpelweg de fotonen te tellen die worden gereflecteerd of uitgezonden, ontstaat een willekeurige reeks van nullen en enen.

Dat is precies hoe 's werelds enige commercieel beschikbare kwantumgenerator voor willekeurige getallen werkt. Maar de snelheid is beperkt tot ongeveer één megabit per seconde. Dat komt omdat enkele fotondetectoren niet sneller kunnen tellen.

Onlangs zijn natuurkundigen begonnen te rommelen met een nieuwe techniek. Dit komt voort uit de twee verschillende manieren waarop fotonen in lasers worden gegenereerd. De eerste is door gestimuleerde emissie, wat een voorspelbaar proces is dat fotonen produceert die allemaal dezelfde fase hebben. De tweede is spontane emissie, een volledig willekeurig kwantumproces. Deze fotonen worden meestal behandeld als ruis en worden in ieder geval overspoeld als de laser op volle toeren draait.

Spontane emissie wordt echter significant wanneer de laser op zijn drempelniveau werkt, voordat gestimuleerde emissie echt ingang vindt. Als het mogelijk is om deze fotonen te meten, dan is het misschien mogelijk om hun willekeurige aard te exploiteren.

You-Qi en co hebben precies dat gedaan. Deze jongens hebben een zeer gevoelige interferometer gemaakt die fluctuaties in de fase van fotonen omzet in intensiteitsveranderingen. Dat is belangrijk omdat intensiteitsveranderingen gemakkelijk kunnen worden gemeten met conventionele fotodetectoren die veel sneller werken dan enkelvoudige fotondetectoren.

Dat heeft het team in staat gesteld om deze willekeurige wijzigingen te meten en te digitaliseren met een snelheid van 80 Gbps. Deze gegevensstroom moet vervolgens op verschillende manieren worden opgeschoond om eventuele vooroordelen die door het meetproces zijn geïntroduceerd, te verwijderen.

Maar daarna kan het team nog steeds willekeurige getallen produceren met een snelheid van 68 Gbps.

Er is geen manier om te garanderen dat een reeks getallen volkomen willekeurig is, maar er is een reeks standaardtests die bepaalde soorten patronen kunnen detecteren, als ze aanwezig zijn. You-Qi en co zeggen dat hun willekeurige nummerreeksen al deze tests met vlag en wimpel doorstaan.

Het eindresultaat is de snelste kwantumgenerator voor willekeurige getallen die ooit met enige marge is geproduceerd.

Dat is indrukwekkend werk dat de weg zou moeten bereiden voor een aantal reguliere toepassingen met behulp van kwantumcryptografie. Onze demonstratie laat zien dat snelle quantumgeneratoren voor willekeurige getallen klaar zijn voor praktisch gebruik, zeggen You-Qi en co. Onze kwantumgenerator voor willekeurige getallen zou een praktische benadering kunnen zijn voor sommige specifieke toepassingen, zoals QKD-systemen met een kloksnelheid van meer dan 10 GHz.

Met andere woorden, veel organisaties die een praktisch systeem nodig hebben dat door de wetten van de kwantumfysica gegarandeerde geheimhouding biedt, hoeven niet lang meer te wachten.

Referentie: arxiv.org/abs/1506.00720 : 68 Gbps Quantum Random Number Generation door het meten van laserfasefluctuaties

zich verstoppen