Svelato in Cina il generatore di numeri casuali quantistici più veloce del mondo

La privacy è una delle qualità più apprezzate della società. La capacità di inviare messaggi privati ​​e di effettuare transazioni finanziarie senza timore di essere monitorati è al centro di molte attività governative, militari e commerciali.

Una tecnologia che consente di farlo perfettamente è la crittografia quantistica e richiede una potente fonte di numeri casuali.

Ma c'è un problema. I numeri casuali sono sorprendentemente difficili da generare in grandi quantità. Una delle migliori fonti è il mondo quantistico che è fondamentalmente casuale. Ma i migliori generatori di numeri casuali quantistici disponibili in commercio li producono solo a una velocità di un milione al secondo, molto al di sotto delle molte decine di miliardi al secondo richieste da molte applicazioni.

Oggi, le cose sembrano essere cambiate grazie al lavoro di You-Qi Nie presso l'Hefei National Laboratory for Physical Sciences in Cina e ad alcuni amici che affermano di aver costruito un generatore di numeri casuali quantistici in grado di produrne 68 miliardi al secondo. Dicono che la tecnica dovrebbe rimuovere un'importante barriera che impedisce ai governi, ai militari e al resto di noi di beneficiare di una perfetta sicurezza.

I numeri casuali devono essere imprevedibili e irriproducibili, e questo esclude la loro generazione utilizzando processi algoritmici ordinari, che tendono ad essere prevedibili e riproducibili. Gli informatici sanno da tempo che i programmi che pretendono di produrre numeri casuali di solito non fanno nulla del genere.

Invece, i fisici si sono rivolti a processi naturali per produrre numeri casuali. Ad esempio, si ritiene che la turbolenza sia del tutto casuale, quindi misurare gli effetti turbolenti che l'atmosfera ha su un raggio laser è un metodo per produrre numeri casuali, anche se piuttosto lento e che potrebbe essere facilmente influenzato da fattori ambientali.

Ecco perché i fisici preferiscono utilizzare i processi quantistici per generare numeri casuali. Si ritiene che questi siano casuali in linea di principio e di natura fondamentale, il che è importante perché significa che non può esserci alcun processo fisico sottostante che potrebbe introdurre la prevedibilità.

I fisici hanno provato molti modi per produrre numeri casuali quantistici. Uno dei più popolari è inviare un flusso di fotoni attraverso un divisore di fascio, che li trasmette o li riflette con una probabilità del 50%. Il semplice conteggio dei fotoni riflessi o trasmessi produce una sequenza casuale di 0 e 1.

Questo è esattamente il modo in cui funziona l'unico generatore di numeri casuali quantistici disponibile in commercio al mondo. Ma la sua velocità è limitata a circa un megabit al secondo. Questo perché i rivelatori di fotoni singoli non possono contare più velocemente di così.

Di recente, i fisici hanno iniziato a pasticciare con una nuova tecnica. Ciò deriva dai due diversi modi in cui i fotoni vengono generati all'interno dei laser. Il primo è l'emissione stimolata, che è un processo prevedibile che produce fotoni che hanno tutti la stessa fase. Il secondo è l'emissione spontanea, un processo quantistico del tutto casuale. Questi fotoni sono generalmente trattati come rumore e sono comunque sommersi quando il laser funziona a piena inclinazione.

Tuttavia, l'emissione spontanea diventa significativa quando il laser opera al suo livello di soglia, prima che l'emissione stimolata prenda effettivamente piede. Se è possibile misurare questi fotoni, allora potrebbe essere possibile sfruttarne la natura casuale.

Tu-Qi e co hanno fatto esattamente questo. Questi ragazzi hanno creato un interferometro altamente sensibile che converte le fluttuazioni nella fase dei fotoni in cambiamenti di intensità. Questo è importante perché i cambiamenti di intensità possono essere facilmente misurati utilizzando fotorilevatori convenzionali che funzionano a velocità molto più elevate rispetto ai rivelatori a fotone singolo.

Ciò ha consentito al team di misurare questi cambiamenti casuali e digitalizzarli a una velocità di 80 Gbps. Questo flusso di dati deve quindi essere ripulito in vari modi per rimuovere eventuali distorsioni introdotte dal processo di misurazione.

Ma dopo questo, il team è ancora in grado di produrre numeri casuali alla velocità di 68 Gbps.

Non c'è modo di garantire che qualsiasi sequenza di numeri sia perfettamente casuale, ma esistono una serie di test standard in grado di individuare determinati tipi di schemi, se presenti. Tu-Qi e compagni dicono che le loro sequenze di numeri casuali superano tutti questi test a pieni voti.

Il risultato finale è il generatore di numeri casuali quantistici più veloce mai prodotto con un certo margine.

È un lavoro impressionante che dovrebbe preparare il terreno per alcune applicazioni tradizionali che utilizzano la crittografia quantistica. La nostra dimostrazione mostra che i generatori di numeri casuali quantistici ad alta velocità sono pronti per l'uso pratico, affermano You-Qi e co. Il nostro generatore di numeri casuali quantistici potrebbe essere un approccio pratico per alcune applicazioni specifiche come i sistemi QKD con una frequenza di clock superiore a 10 GHz.

In altre parole, molte organizzazioni che necessitano di un sistema pratico che offra segretezza garantita dalle leggi della fisica quantistica potrebbero non avere molto tempo da aspettare.

Rif: arxiv.org/abs/1506.00720 : Generazione di numeri casuali quantistici a 68 Gbps misurando le fluttuazioni di fase del laser

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