De senaste framstegen i utvecklingen av experimentella Bell-tester har möjliggjort implementeringen av en ny typ av enhetsoberoende slumptalsgenerator. Anmärkningsvärt, denna nya typ av slumptalsgeneratorer kan realiseras med skadliga kvantenheter, utan att kräva detaljerade modeller av de använda kvantenheterna.

Forskare vid University of Colorado/NIST Boulder (CU/NIST Boulder) och NTT Corporation i Japan har nyligen utvecklat ett protokoll för generering av slumptal som kan implementeras på en mängd olika kvantsystem. Detta protokoll, presenteras i ett papper publicerat i Naturfysik , skulle kunna bana väg mot utvecklingen av säkrare och effektivare slumptalsgeneratorer.

"Vi har varit intresserade av att försöka förstå hur man använder kvantentanglement för att bygga en helt ny klass av slumptalsgeneratorer som är, på något vis, de säkraste källorna till slumpmässighet som naturen tillåter, så vitt vi vet, "Lynden Krister Sham, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org.

I sina tidigare studier, Shalm och hans kollegor försökte utnyttja de icke-lokala egenskaperna hos kvantentanglement för att generera slumpmässiga bitar certifierade på ett enhetsoberoende sätt. Säkerheten i deras system berodde i första hand på att hackare inte kan skicka information snabbare än ljusets hastighet.

"Vårt system skiljer sig från vanliga slumptalsgeneratorer, som förlitar sig på antingen en fysisk process (t.ex. radioaktivt sönderfall) eller matematiska algoritmer, " sa Sham.

I motsats till det system som skapats av Shalm och hans kollegor, slumptalsgeneratorer som är baserade på fysiska processer eller matematiska algoritmer behöver ett antal extra antaganden för att uppfyllas. För att producera mycket säkra och certifierade slumpmässiga bitar med entanglement, dock, systemet som skapats av Shalm och hans kollegor måste konsumera en hel del slumpmässighet, vilket avsevärt försämrar deras system effektivitet.

"När jag besökte CU/NIST Boulder i början av 2017, Jag var glad över att lära mig att experimentgruppen ledd av Krister redan hade förmågan att demonstrera enhetsoberoende slumpgenerering, "Yanbao Zhang, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Eftersom ett sådant experiment förbrukar många slumpmässiga bitar samtidigt som det bara genererar ett litet antal certifierade slumpmässiga bitar av hög kvalitet, det är önskvärt att uppnå enhetsoberoende slumpmässig expansion, där fler certifierade utbitar genereras än de förbrukade ingångsbitarna."

Sham, Zhang och deras kollegor utarbetade en metod som använder en liten mängd frö-slumpmässighet för att generera fler kvantbaserade certifierade slumpmässiga bitar än de som konsumeras av slumptalsgeneratorn. Detta är en av de primära funktionerna som skiljer deras system från andra slumptalsgeneratorer.

"Det är lite som hur en frökristall kan användas för att odla en mycket större struktur, " Sa Shalm. "Vi kan mata ut 24% fler slumpmässiga bitar än vi matar in i systemet."

I princip, systemet som skapats av Shalm och hans kollegor skulle kunna drivas på ett sätt som skulle göra det möjligt för forskare att oändligt utöka slumpmässigheten i inmatningsfröet. För att uppnå slumpmässig expansion, teamet på CU/NIST Boulder och NTT var tvungna att pressa sina experimentsystem till sina nuvarande gränser, eftersom deras tekniska krav är otroligt krävande.

För att utöka ingångsfröslumpheten till fler slumpmässiga bitar certifierade på ett enhetsoberoende sätt, forskarna var tvungna att använda dessa fröbitar på ett smart sätt. System uppnår vanligtvis detta genom att köra ett speciellt test på intrasslade partiklar, känt som ett "kryphålsfritt Bell-test".

"Istället för att köra det här testet, som tär på slumpen, på alla intrasslade fotoner vi producerar, vi "punktkontrollerar" några av fotonerna slumpmässigt för att säkerställa att systemet beter sig som förväntat, ”Sade Shalm. ”Den finnas likartat till hur en matinspektör fick väljar bara ett litet men slumpmässigt prov av tomater för att testa i stället för att testa varje tomat i en inkommande sändning. Vårt stickprovsprotokoll fungerar på liknande sätt, men vi måste vara mycket försiktiga för att se till att systemet som ska stickprovskontrolleras inte fuskas."

I samband med "tomat"-analogin som tillhandahålls av Sham, om tomater staplades i lådor innehållande 2 ^k tomater vardera, andra stickprovsprotokoll som utvecklats tidigare skulle kräva att varje tomat i en låda väljs slumpmässigt med en liten sannolikhet. Å andra sidan, protokollet utarbetat av Sham, Zhang och deras kollegor skulle bara kräva en tomat i en låda för att väljas slumpmässigt enhetligt.

"För att kontrollera en låda med tomater, det vanliga protokollet förbrukar alltså 2 ^k partiska slumpmässiga bitar medan vårt protokoll förbrukar endast k enhetligt slumpmässiga bitar, " sa Zhang. "I praktiken, likformigt slumpmässiga bitar snarare än partiska slumpmässiga bitar är lättillgängliga från källor som NIST-slumpmässighetsfyren. Därav, vårt stickprovsprotokoll är experimentellt mer vänligt."

Den senaste studien av Sham, Zhang och deras kollegor kan i slutändan möjliggöra det experimentella förverkligandet av oändlig enhetsoberoende slumpmässig expansion. Dessutom, denna studie kan hjälpa den nuvarande förståelsen av kvantmekanikens slumpmässighet och några av dess grundläggande gränser.

"Från en mer praktisk synvinkel, vårt experiment är ett exempel på proto-kvantnätverk där intrasslade partiklar utbyts och opereras under strikta förhållanden för att utföra uppgifter som inte är möjliga av något annat klassiskt (eller lokalt kvantsystem), "Shalm sa. "Dessa icke-lokala kvantnätverk är fascinerande ur både en grundläggande och praktisk synvinkel."

I framtiden, systemet utvecklat av Sham, Zhang och deras kollegor skulle kunna användas för att utveckla kompakta och mycket säkra slumptalsgeneratorer. För närvarande, enhetsoberoende generatorer är för komplexa för att kunna implementeras på kompakta enheter eller smarta telefoner. För att övervinna denna begränsning, forskarna försöker för närvarande att integrera sin enhetsoberoende slumptalsgenerator i offentliga slumpsignaler som matar ut slumpmässiga bitar med periodiska intervall.

"Denna användning av vårt system kan tjäna alla applikationer som kräver ett slumpmässigt urval av olika resurser, " Sa Shalm. "I detta sammanhang, vår slumptalsgenerator kan användas för att välja ut personer för juryuppdrag, för att hjälpa till att slumpmässigt granska valsystem, eller till och med hjälpa till att utarbeta kongressdistrikt på ett rättvist och partipolitiskt sätt för att bekämpa gerrymandering. Genom att använda vårt system, vi skulle också kunna låta kvantmekaniken utforma våra röstdistrikt istället för politiker."

Sham, Zhang och deras kollegor var bland de första att realisera enhetsoberoende slumpmässig expansion, en stark typ av slumpmässig expansion som klassiska system inte kan uppnå. I framtiden, deras arbete kan inspirera andra team att skapa liknande protokoll för vanliga kvant-slumptalsgeneratorer.

"Vi arbetar nu med att förvandla vår slumptalsgenerator till en fullfjädrad tjänst, " Sa Shalm. "Det är fantastiskt för mig att vi kan ta något som har sitt ursprung i några av de tidigaste debatterna om kvantteorins filosofiska natur och förvandla det till en säker offentlig tjänst."

Experimentet utfört av Sham, Zhang och deras kollegor sträckte sig över två veckor. Under dessa två veckor, forskarna samlade in cirka 110 timmars data. I sina nästa studier, de skulle vilja förbättra sitt systems effektivitet, så att den kan realisera enhetsoberoende slumpmässig expansion inom några timmar efter experimentell körning.

"Dessutom, vår nuvarande säkerhetsanalys fungerar i närvaro av en klassisk hacker som har godtycklig klassisk sidoinformation om utdataslumpen men som inte delar någon intrassling med kvantenheterna som används, " sa Zhang. "I framtiden, vi skulle vilja förbättra säkerheten för de slumpmässiga utgående bitarna mot den mer kraftfulla kvanthackern som är helt intrasslad med våra kvantenheter."

© 2021 Science X Network