Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram um método para gerar números com garantia de serem aleatórios pela mecânica quântica. Descrito na edição de 12 de abril de Natureza , a técnica experimental supera todos os métodos anteriores para garantir a imprevisibilidade de seus números aleatórios e pode aumentar a segurança e a confiança em sistemas criptográficos.

O novo método NIST gera bits digitais (1s e 0s) com fótons, ou partículas de luz, usando dados gerados em uma versão aprimorada de um experimento de física NIST de 2015. Esse experimento mostrou conclusivamente que o que Einstein ridicularizou como "ação fantasmagórica à distância" é real. No novo trabalho, os pesquisadores processam a saída fantasmagórica para certificar e quantificar a aleatoriedade disponível nos dados e gerar uma sequência de bits muito mais aleatórios.

Números aleatórios são usados ​​centenas de bilhões de vezes por dia para criptografar dados em redes eletrônicas. Mas esses números não são comprovadamente aleatórios em um sentido absoluto. Isso porque eles são gerados por fórmulas de software ou dispositivos físicos cuja saída supostamente aleatória pode ser prejudicada por fatores como fontes previsíveis de ruído. A execução de testes estatísticos pode ajudar, mas nenhum teste estatístico na saída sozinho pode garantir absolutamente que a saída era imprevisível, especialmente se um adversário adulterou o dispositivo.

"É difícil garantir que uma determinada fonte clássica seja realmente imprevisível, "Disse o matemático do NIST Peter Bierhorst." Nossa fonte quântica e protocolo são como um dispositivo à prova de falhas. Temos certeza de que ninguém pode prever nossos números. "

"Algo como um cara ou coroa pode parecer aleatório, mas seu resultado poderia ser previsto se pudéssemos ver a trajetória exata da moeda conforme ela tomba. Aleatoriedade quântica, por outro lado, é a verdadeira aleatoriedade. Temos certeza de que estamos vendo aleatoriedade quântica porque apenas um sistema quântico poderia produzir essas correlações estatísticas entre nossas escolhas de medição e resultados. "

O novo método baseado em quantum é parte de um esforço contínuo para melhorar o sinalizador de aleatoriedade público do NIST, que transmite bits aleatórios para aplicativos como computação multipartidária segura. O farol do NIST atualmente depende de fontes comerciais.

A mecânica quântica fornece uma fonte superior de aleatoriedade porque as medições de algumas partículas quânticas (aquelas em uma "superposição" de 0 e 1 ao mesmo tempo) têm resultados fundamentalmente imprevisíveis. Os pesquisadores podem medir facilmente um sistema quântico. Mas é difícil provar que as medições estão sendo feitas de um sistema quântico e não de um sistema clássico disfarçado.

No experimento do NIST, essa prova vem da observação das assustadoras correlações quânticas entre pares de fótons distantes enquanto fecha as "lacunas" que poderiam permitir que bits não aleatórios parecessem aleatórios. Por exemplo, as duas estações de medição estão posicionadas muito distantes para permitir comunicações ocultas entre elas; pelas leis da física, tais trocas seriam limitadas à velocidade da luz.

Os números aleatórios são gerados em duas etapas. Primeiro, o experimento de ação assustador gera uma longa sequência de bits por meio de um "teste de Bell, "em que os pesquisadores medem as correlações entre as propriedades dos pares de fótons. O tempo das medições garante que as correlações não possam ser explicadas por processos clássicos, como condições pré-existentes ou trocas de informações em, ou mais lento do que, A velocidade da luz. Os testes estatísticos das correlações demonstram que a mecânica quântica está em ação, e esses dados permitem aos pesquisadores quantificar a quantidade de aleatoriedade presente na longa sequência de bits.

Essa aleatoriedade pode ser muito tênue ao longo da longa sequência de bits. Por exemplo, quase todos os bits podem ser 0 com apenas alguns sendo 1. Para obter um curto, string uniforme com aleatoriedade concentrada de modo que cada bit tenha 50/50 de chance de ser 0 ou 1, uma segunda etapa chamada "extração" é executada. Os pesquisadores do NIST desenvolveram um software para processar os dados de teste de Bell em uma string mais curta de bits que são quase uniformes; isso é, com 0s e 1s igualmente prováveis. O processo completo requer a entrada de duas sequências independentes de bits aleatórios para selecionar as configurações de medição para os testes de Bell e "propagar" o software para ajudar a extrair a aleatoriedade dos dados originais. Os pesquisadores do NIST usaram um gerador de números aleatórios convencional para gerar essas strings de entrada.

De 55, 110, 210 tentativas do teste de Bell, cada um produz dois bits, pesquisadores extraíram 1, 024 bits certificados para serem uniformes dentro de um trilionésimo de 1 por cento.

"Um sorteio perfeito seria uniforme, e fizemos 1, 024 bits quase perfeitamente uniformes, cada um extremamente próximo a igualmente provável de ser 0 ou 1, "Bierhorst disse.

Outros pesquisadores já usaram testes de Bell para gerar números aleatórios, mas o método NIST é o primeiro a usar um teste de Bell sem lacunas e a processar os dados resultantes por meio de extração. Extratores e sementes já são usados ​​em geradores de números aleatórios clássicos; na verdade, sementes aleatórias são essenciais para a segurança do computador e podem ser usadas como chaves de criptografia.

No novo método NIST, os números finais são certificados para serem aleatórios, mesmo se as configurações de medição e sementes forem publicamente conhecidas; o único requisito é que o experimento de teste de Bell seja fisicamente isolado de clientes e hackers. "A ideia é que você obtenha algo melhor (aleatoriedade privada) do que o que você coloca (aleatoriedade pública), "Bierhorst disse.