Klassische Zufallszahlengeneratoren, selbst die ausgefeiltesten, weisen winzige Verzerrungen auf, die ihre Sequenzen langfristig vorhersagbar machen. In der Kryptographie könnte diese Schwachstelle von Angreifern ausgenutzt werden. Forscher der ETH Zürich haben nun einen entscheidenden Durchbruch erzielt, indem sie das sogenannte "perfekte Zufallsereignis" erzeugten, unter Ausnutzung der kontraintuitiven Eigenschaften der Quantenphysik.
Die experimentelle Anordnung basiert auf zwei supraleitenden Chips, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Jeder Chip stellt ein Qubit dar, das Quantenäquivalent eines klassischen Bits. Verbunden durch ein ebenfalls gekühltes 30 Meter langes Rohr, können diese Chips Mikrowellenphotonen in einem verschränkten Zustand austauschen. In diesem Zustand beeinflusst die Messung eines Qubits das andere sofort, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen.
Illustrationsbild Pixabay Um die Integrität des Prozesses zu gewährleisten, platzierten die Forscher die Qubits etwa 30 Meter voneinander entfernt. So könnte selbst ein mit Lichtgeschwindigkeit reisendes Signal die beiden Qubits während der Messung nicht verbinden. Diese räumliche Trennung verhindert jede unerwünschte Kommunikation, die die Zufälligkeit verfälschen könnte – eine einfache, aber effektive Technik, um die Reinheit der Verschränkung zu bewahren.
Wie lässt sich der Zufall "reinigen"?
Das Protokoll beginnt mit der Verwendung eines unvollkommenen Zahlengenerators (des klassischen, verzerrten Zufalls des Computers), um die Messbasis der Qubits zu wählen.
Angenommen, der klassische Computer gibt einen unvollkommenen Startimpuls, wie eine manipulierte Münze, die zu
60% auf Kopf und 40% auf Zahl fällt. Es ist dieses verzerrte Signal, das die Forscher an das Quantensystem senden.
Hier wirkt die Magie der Verschränkung. Bevor sie gemessen werden, befinden sich die verschränkten Qubits in einem grundlegend überlagerten Zustand: Das Ergebnis ist nicht einfach verborgen, es existiert noch nicht und ist streng unmöglich im Voraus zu kennen. Der Impuls des Computers (der falsche 60-40-Zufall) löst einfach die Messung dieser Qubits aus. In diesem präzisen Moment wird die Natur gezwungen, eine reine Wahl zu treffen, wodurch ein
perfektes, völlig unvorhersagbares 50-50 wiederhergestellt wird.
Die zentrale Idee ist, dass das Quantensystem als "Reinheitsfilter" fungiert: Es nutzt eine verzerrte Eingabe, um eine Quantenreaktion zu erzwingen, deren endgültiger Zufall durch die Gesetze der Physik zertifiziert und nicht einfach durch klassische statistische Tests angenommen wird. Die Quantenphysik garantiert mathematisch, dass das Endergebnis (0 oder 1)
völlig unantastbar ist, selbst für die Forscher, die die Maschine gebaut haben.
Erhebliche Auswirkungen
Renato Renner, Koautor der in
Nature veröffentlichten Studie, erklärt, dass diese Methode die Rechenkosten erheblich reduziert. "Unser Ansatz erfordert nicht wirklich Berechnung", sagte er, "denn der gesamte Zufall wird durch die Messung der Qubits erzeugt. Die Rechenkosten sind im Vergleich zu denen von Pseudozufallsgeneratoren vernachlässigbar."
Die praktischen Auswirkungen sind erheblich. Die Forscher vergleichen diesen Durchbruch mit dem der Atomuhr für die Zeitmessung: ein zuverlässiger physikalischer Standard, auf den andere Systeme vertrauen können. Zu den potenziellen Anwendungen gehören die Verschlüsselung von Nachrichten, digitale Identitäten, Lotterien und Blockchain-Operationen. Renner weist darauf hin, dass ihr Experiment besonders in Netzwerkarchitekturen nützlich wäre, in denen jeder Knoten Zugriff auf einen Server hat, der diesen perfekten Zufallsgenerator implementiert.
Quelle: Nature