Реальное время случайности: как лазер и квантовый шум создают идеальные числа
(на основе работы “Real-time demonstration of high bitrate quantum random number generation with coherent laser light”, Applied Physics Letters)
Что такое квантовая случайность и зачем она нужна
Случайные числа окружают нас в цифровом мире — они лежат в основе шифрования, криптографии, моделирования и даже игр. Но обычные генераторы случайных чисел, встроенные в компьютеры, на самом деле не такие уж и случайные.
Большинство современных устройств используют псевдослучайные генераторы — сложные математические алгоритмы, которые при одинаковом начальном числе (seed) выдают одну и ту же последовательность. Это удобно, но небезопасно: если злоумышленник узнает seed, он сможет воспроизвести весь поток чисел.
Решение приходит из квантовой физики. Квантовые процессы по самой своей природе непредсказуемы — ни один алгоритм не способен заранее знать, как именно проявятся флуктуации вакуума или поведение отдельного фотона. Именно эту идею и использовали учёные, создавшие квантовый генератор случайных чисел (Quantum Random Number Generator, QRNG).
Прорыв: случайность из света
Команда исследователей, чья работа опубликована в Applied Physics Letters (DOI: 10.1063/1.3597793
показала, что можно получать настоящие случайные биты в реальном времени со скоростью до 2 Гбит/с.
Источник случайности — не что иное, как вакуумные флуктуации электромагнитного поля. Даже когда кажется, что свет «выключен» и лазер идеально стабилен, в реальности в нём живут квантовые колебания энергии. Эти микроскопические шумы невозможно предсказать или устранить — они и становятся идеальным сырьём для генерации случайных чисел.
Как это работает: лазер, шум и немного математики
Чтобы извлечь случайность из квантового мира, исследователи использовали coherent laser light — когерентное лазерное излучение, стабильное по частоте и направлению.
Затем они измеряли так называемые radio-frequency sidebands — радиочастотные боковые полосы сигнала, в которых живут флуктуации вакуума.
Система выглядела так:
- Лазер (single-mode laser) генерирует постоянный поток света.
- Balanced homodyne detector (сбалансированный фотодетектор) регистрирует крошечные отклонения интенсивности света, которые соответствуют квантовым флуктуациям.
- RF-усилители и фильтры выделяют полезный диапазон частот, где технический шум минимален.
- Высокоскоростной ADC (Analog-to-Digital Converter) оцифровывает сигнал.
- Цифровая обработка (FPGA или компьютер) превращает измеренные значения в поток битов.
Почему это действительно случайно
Ключевой момент — различить квантовый шум и технический шум.
Технический шум (например, электронный фон или вибрации) может сделать систему предсказуемой. Поэтому инженеры тщательно калибруют чувствительность детекторов, выбирают частоты, где квантовый шум преобладает, и балансируют фотоприёмники так, чтобы «отменить» классические флуктуации.
Далее вступает в игру randomness extraction algorithm — математический экстрактор энтропии, который «выжимает» только непредсказуемую часть данных. Это может быть хэш-функция, матричное преобразование или другой метод «whitening» (обеления данных).
Результат — поток абсолютно непредсказуемых нулей и единиц, который можно напрямую использовать для криптографии, квантовой коммуникации и моделирования.
Два режима генерации
Авторы описывают два рабочих режима QRNG:
- High Quantum Correlation Regime — максимально сохраняет квантовую составляющую сигнала. Отлично подходит для фундаментальных экспериментов, где важно, чтобы случайность напрямую происходила из измерений квантового состояния.
- High Environmental Immunity Regime — делает поток битов максимально устойчивым к внешним воздействиям (температуре, вибрациям, изменениям лазера). Такой режим идеален для практических приложений, где важна надёжность и безопасность.
Реальные результаты
Система, созданная исследователями, выдавала 2 Гбит/с случайных битов в режиме реального времени.
Каждый поток проверялся стандартными тестами случайности — NIST, DIEHARD и другими. Все проверки показали, что последовательности действительно ведут себя как идеальные случайные числа, без статистических закономерностей или корреляций.
Для сравнения: большинство коммерческих QRNG до этого момента имели скорость порядка 1-100 Мбит/с, что делает это достижение важным шагом вперёд в области высокоскоростной квантовой криптографии.
Зачем это нужно в реальной жизни
- 🔐 Криптография и защита данных. Настоящая квантовая случайность делает невозможным предсказание ключей даже при полном знании алгоритма.
- 🧬 Научное моделирование. Симуляции, где важна статистическая чистота случайности (например, квантовая химия или физика частиц).
- 🎮 Игровая индустрия. Генерация уникальных событий, уровней и исходов, не поддающихся подделке.
- 🌐 Безопасные коммуникации. Использование QRNG в квантовых сетях связи и VPN будущего.
Можно ли сделать такое дома?
В теории — да, но на практике это требует чувствительной электроники и точной калибровки. Для простого эксперимента можно собрать:
- одноканальный лазер (HeNe, диодный или DPSS),
- пару фотодиодов для balanced detection,
- усилители с низким шумом,
- быстрый ADC (минимум сотни мегасэмплов в секунду),
- и простую FPGA-плату для оцифровки и постобработки.
Однако главное — обеспечить shot-noise limited regime, то есть режим, где квантовый шум превосходит технический. Без этого случайность не будет гарантированно квантовой.
Взгляд в будущее
Высокоскоростные QRNG уже находят путь в микросхемы и серверы. Квантовые технологии становятся все ближе к повседневной жизни — от банковских транзакций до защищённой переписки.
Реализация квантовой случайности на основе coherent laser light — это шаг к полностью доверенным системам, где источником безопасности становится сама природа.
Источники и дополнительные материалы
- Real-time demonstration of high bitrate quantum random number generation with coherent laser light, Applied Physics Letters, DOI: 10.1063/1.3597793
Эту технологию уже можно попробовать ТУТ ONLINE
Упрощенная версия устройства (по скорости) принцип тот же, главное компактный размер — уже был реализован в лаборатории адарис.
Комментариев нет