Il rumore quantico batte il record del generatore di numeri casuali

I numeri casuali sono bestie utili, in particolare per i crittografi che li usano per generare i loro codici.

Ma qual è il modo migliore per creare numeri casuali a velocità utili? La domanda è intimamente legata alla natura della casualità. Un modo è affidarsi a un computer per eseguire l'attività utilizzando un algoritmo che genera numeri che sembrano casuali. Ad esempio, le cifre di pi appaiono casuali ma possono essere generate da un semplice algoritmo.

I matematici trattano questi cosiddetti numeri pseudo casuali con cautela. Uno dei motivi per cui danno valore ai numeri casuali è proprio perché non possono essere generati da alcun processo logico: tutto ciò che può essere calcolato, come pi greco, rientra chiaramente in questa categoria. I crittografi, in particolare, vogliono codici che non possono essere calcolati da un intercettatore con un computer abbastanza potente.

L'attuale consenso è che la migliore fonte di casualità è il mondo quantistico in cui regna l'incertezza. Di recente abbiamo esaminato quanto sia buona questa casualità. Qualsiasi incertezza nel valore di quantità fisiche come posizione, quantità di moto, campo elettrico andrà bene.

Un modo per sfruttare questa incertezza è inviare fotoni verso uno specchio semi-argentato e misurare se vengono riflessi o trasmessi. La sequenza risultante di 0 e 1 dovrebbe essere veramente casuale.

Il problema qui è la velocità con cui possono essere generati numeri veramente casuali. Dispositivi commerciali che funzionano in questo modo con specchi semi-argentati generano numeri casuali alla velocità di fino a 16 Mbit al secondo.

Oggi, Yu Liu e compagni dell'Università di Pechino in Cina rivelano un modo per accelerare notevolmente questo processo. La loro idea è di utilizzare il rumore di fase in un laser per generare numeri casuali.

Il rumore di fase è il risultato di incertezze quantistiche nel modo in cui i fotoni vengono emessi spontaneamente all'interno di un laser, ad esempio a causa delle fluttuazioni del vuoto del campo elettrico. Il fa sì che i fotoni vengano emessi con frequenze che differiscono leggermente.

Liu e co usano questo piccolo cambiamento di frequenza per creare un segnale di battito ritardando una parte della luce laser e interferendo con l'uscita successiva. Quindi campionano il segnale del battito con un convertitore da analogico a digitale.

Dopo un po' di pulizia matematica, la sequenza di numeri risultante supera una serie di test standard di casualità e Liu e i suoi amici sono in grado di pronunciarla veramente casuale.

La cosa impressionante di questa tecnica è la velocità dei dati che raggiungono. Liu e co stanno affermando velocità di trasmissione dati fino a 300 Mbit al secondo. E poiché il laser a cavità verticale che usano per questo può essere integrato relativamente facilmente nei moderni circuiti elettronici, non c'è nulla che impedisca che venga utilizzato quasi immediatamente per applicazioni commerciali

Non è il generatore di numeri casuali più veloce: quel record va a una squadra israeliana che ha recentemente raggiunto 3 Gbit al secondo utilizzando l'uscita caotica di un laser. Questo è un bene, ma non la casualità quantistica, che è il gold standard per molti fisici.

All'inizio di questo mese, un team negli Stati Uniti ha rivendicato il record per il numero casuale generato da un quantistico più veloce a 100 Mbit al secondo, in base agli intervalli tra gli arrivi di fotoni a un rivelatore.

Ora, solo pochi giorni dopo, i cinesi hanno fatto ancora meglio. Questo dovrebbe avviare un'interessante battaglia di numeri con altri fornitori di numeri casuali su chi può generare casualità della massima qualità il più veloce. Preparati per la battaglia!

Rif: arxiv.org/abs/1006.3512 : Generazione di numeri veramente casuali tramite amplificazione dell'entropia

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