211service.com
Verdens hurtigste kvantetilfældige talgenerator afsløret i Kina
Privatliv er en af samfundets mest værdsatte kvaliteter. Evnen til at sende private beskeder og udføre finansielle transaktioner uden frygt for at blive overvåget er kernen i mange regerings-, militær- og kommercielle aktiviteter.
En teknologi, der gør det muligt at gøre dette perfekt, er kvantekryptografi, og det kræver en kraftfuld kilde til tilfældige tal.
Men der er et problem. Tilfældige tal er overraskende svære at generere i store mængder. En af de bedste kilder er kvanteverdenen, som grundlæggende er tilfældig. Men de bedste kommercielt tilgængelige kvantetilfældige talgeneratorer producerer dem kun med en hastighed på en million i sekundet, langt under de mange titusinder af milliarder i sekundet, som mange applikationer kræver.
I dag ser det ud til at have ændret sig takket være arbejdet fra You-Qi Nie ved Hefei National Laboratory for Physical Sciences i Kina og et par venner, der siger, at de har bygget en kvante-tilfældig talgenerator, der er i stand til at producere 68 milliarder af dem i sekundet. De siger, at teknikken skal fjerne en vigtig barriere, der forhindrer regeringer, militæret og resten af os i at drage fordel af perfekt sikkerhed.
Tilfældige tal skal være uforudsigelige og irreproducerbare, og dette udelukker at generere dem ved hjælp af almindelige algoritmiske processer, som har tendens til at være både forudsigelige og reproducerbare. Dataloger har længe vidst, at programmer, der hævder at producere tilfældige tal, normalt ikke viser sig at gøre noget af den slags.
I stedet har fysikere vendt sig til naturlige processer for at producere tilfældige tal. For eksempel menes turbulens at være helt tilfældig, så den måler, at turbulente effekter, som atmosfæren har på en laserstråle, er en metode til at producere tilfældige tal, omend en ret langsom en, og en, der let kunne være forudindtaget af miljøfaktorer.
Det er derfor, fysikere foretrækker at bruge kvanteprocesser til at generere tilfældige tal. Disse menes at være tilfældige i princippet og grundlæggende af natur, hvilket er vigtigt, fordi det betyder, at der ikke kan være en underliggende fysisk proces, der kan introducere forudsigelighed.
Fysikere har prøvet mange måder at producere tilfældige kvantetal på. En af de mest populære er at sende en strøm af fotoner gennem en stråledeler, som transmitterer eller reflekterer dem med 50 procents sandsynlighed. Blot at tælle de fotoner, der reflekteres eller transmitteres, frembringer en tilfældig sekvens af 0'er og 1'ere.
Det er præcis sådan, verdens eneste kommercielt tilgængelige kvantetilfældige talgenerator fungerer. Men dens hastighed er begrænset til omkring en megabit i sekundet. Det skyldes, at enkeltfotondetektorer ikke kan tælle hurtigere end dette.
For nylig er fysikere begyndt at rode med en ny teknik. Dette skyldes de to forskellige måder, fotoner genereres inde i lasere. Den første er ved stimuleret emission, som er en forudsigelig proces, der producerer fotoner, der alle har samme fase. Den anden er spontan emission, en helt tilfældig kvanteproces. Disse fotoner behandles normalt som støj og er under alle omstændigheder oversvømmet, når laseren arbejder med fuld hældning.
Imidlertid bliver spontan emission betydelig, når laseren opererer på sit tærskelniveau, før stimuleret emission virkelig får fat. Hvis det er muligt at måle disse fotoner, så kan det være muligt at udnytte deres tilfældige natur.
You-Qi og co har gjort præcis det. Disse fyre har skabt et meget følsomt interferometer, der konverterer fluktuationer i fotonernes fase til intensitetsændringer. Det er vigtigt, fordi intensitetsændringer nemt kan måles ved hjælp af konventionelle fotodetektorer, der arbejder med meget højere hastigheder end enkeltfotondetektorer.
Det har gjort det muligt for holdet at måle disse tilfældige ændringer og digitalisere dem med en hastighed på 80 Gbps. Denne datastrøm skal derefter ryddes op på forskellige måder for at fjerne eventuelle skævheder, der indføres af måleprocessen.
Men efter dette er holdet stadig i stand til at producere tilfældige tal med en hastighed på 68 Gbps.
Der er ingen måde at garantere, at enhver sekvens af tal er helt tilfældig, men der er et sæt standardtests, der kan finde bestemte slags mønstre, hvis de er til stede. You-Qi og co siger, at deres tilfældige talsekvenser består alle disse tests med glans.
Slutresultatet er den hurtigste kvante-tilfældige tal-generator, der nogensinde er produceret med en vis margin.
Det er imponerende arbejde, der burde forberede jorden for nogle almindelige applikationer ved hjælp af kvantekryptografi. Vores demonstration viser, at højhastigheds kvantetilfældige talgeneratorer er klar til praktisk brug, siger You-Qi og co. Vores kvante-tilfældige tal-generator kunne være en praktisk tilgang til nogle specifikke applikationer såsom QKD-systemer med en klokfrekvens på over 10 GHz.
Med andre ord har mange organisationer, der har brug for et praktisk system, der tilbyder hemmeligholdelse garanteret af kvantefysikkens love, måske ikke meget længere at vente.
Ref: arxiv.org/abs/1506.00720 : 68 Gbps Quantum Random Number Generation ved at måle laserfaseudsving