Avanços recentes no desenvolvimento de testes experimentais de Bell permitiram a implementação de um novo tipo de gerador de números aleatórios independente de dispositivo. Notavelmente, este novo tipo de geradores de números aleatórios pode ser realizado com dispositivos quânticos maliciosos, sem exigir modelos detalhados dos dispositivos quânticos usados.

Pesquisadores da Universidade do Colorado / NIST Boulder (CU / NIST Boulder) e da NTT Corporation no Japão desenvolveram recentemente um protocolo para geração de números aleatórios que pode ser implementado em uma variedade de sistemas quânticos. Este protocolo, apresentado em um artigo publicado em Física da Natureza , poderia abrir caminho para o desenvolvimento de geradores de números aleatórios mais seguros e eficazes.

"Estamos interessados ​​em tentar entender como usar o emaranhamento quântico para construir uma classe inteiramente nova de geradores de números aleatórios que são, em algum sentido, as fontes mais seguras de aleatoriedade que a natureza permite, até onde sabemos, "Lynden Krister Shalm, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org.

Em seus estudos anteriores, Shalm e seus colegas tentaram aproveitar as propriedades não locais do emaranhamento quântico para gerar bits aleatórios certificados de forma independente de dispositivo. A segurança de seu sistema dependia principalmente do fato de que os hackers não podem enviar informações mais rápido do que a velocidade da luz.

"Nosso sistema difere dos geradores de números aleatórios regulares, que dependem de um processo físico (por exemplo, decaimento radioativo) ou algoritmos matemáticos, "Shalm disse.

Em contraste com o sistema desenvolvido por Shalm e seus colegas, geradores de números aleatórios baseados em processos físicos ou algoritmos matemáticos precisam de uma série de suposições extras a serem atendidas. Para produzir bits aleatórios certificados e altamente seguros usando emaranhamento, Contudo, o sistema desenvolvido por Shalm e seus colegas deve consumir uma grande quantidade de aleatoriedade, o que prejudica significativamente a eficiência do seu sistema.

"Quando visitei o CU / NIST Boulder no início de 2017, Fiquei animado ao saber que o grupo experimental liderado por Krister já tinha a capacidade de demonstrar a geração de aleatoriedade independente de dispositivo, "Yanbao Zhang, outro pesquisador envolvido no estudo, disse a Phys.org. "Como tal experimento consome muitos bits aleatórios enquanto gera apenas um pequeno número de bits aleatórios certificados de alta qualidade, é desejável alcançar expansão de aleatoriedade independente de dispositivo, onde mais bits de saída certificados são gerados do que bits de entrada consumidos. "

Shalm, Zhang e seus colegas desenvolveram um método que utiliza uma pequena quantidade de aleatoriedade de sementes para gerar mais bits aleatórios certificados baseados em quantum do que aqueles consumidos pelo gerador de números aleatórios. Este é um dos principais recursos que diferenciam seu sistema de outros geradores de números aleatórios.

"É um pouco como um cristal de semente pode ser usado para fazer crescer uma estrutura muito maior, "Shalm disse." Somos capazes de produzir 24% mais bits aleatórios do que inserimos no sistema. "

Em princípio, o sistema desenvolvido por Shalm e seus colegas poderia ser executado de uma forma que permitiria aos pesquisadores expandir infinitamente a aleatoriedade da semente de entrada. Para alcançar a expansão da aleatoriedade, a equipe do CU / NIST Boulder e da NTT teve que levar seus sistemas experimentais aos limites atuais, pois seus requisitos técnicos são incrivelmente exigentes.

Para expandir a aleatoriedade da semente de entrada em mais bits aleatórios certificados de uma forma independente de dispositivo, os pesquisadores tiveram que fazer um uso inteligente desses pedaços de sementes. Os sistemas normalmente conseguem isso executando um teste especial em partículas emaranhadas, conhecido como 'teste de Bell sem lacunas'.

"Em vez de executar este teste, que consome aleatoriedade, em todos os fótons emaranhados que produzimos, nós 'verificamos' alguns dos fótons aleatoriamente para ter certeza de que o sistema está se comportando conforme o esperado, "Shalm disse." É semelhante a como um inspetor de alimentos pode selecionar apenas uma pequena, mas aleatória amostra de tomates para teste, em vez de testar cada tomate em uma remessa que chega. Nosso protocolo de verificação pontual funciona de maneira semelhante, mas temos que tomar muito cuidado para garantir que o sistema a ser verificado não esteja sendo enganado. "

No contexto da analogia do 'tomate' fornecida por Shalm, se os tomates fossem empilhados em caixas contendo 2 ^k tomates cada, outros protocolos de verificação aleatória desenvolvidos no passado exigiriam que cada tomate em uma caixa fosse selecionado aleatoriamente com uma pequena probabilidade. Por outro lado, o protocolo desenvolvido por Shalm, Zhang e seus colegas exigiriam que apenas um tomate em uma caixa fosse selecionado de maneira uniforme e aleatória.

"Para marcar uma caixa de tomates, o protocolo usual consome 2 ^k bits aleatórios enviesados, enquanto nosso protocolo consome apenas k bits aleatórios uniformes, "Disse Zhang." Na prática, bits uniformemente aleatórios, em vez de bits aleatórios polarizados, são facilmente acessíveis a partir de fontes como o sinalizador de aleatoriedade do NIST. Portanto, nosso protocolo de verificação pontual é experimentalmente mais amigável. "

O estudo recente de Shalm, Zhang e seus colegas poderiam, em última análise, permitir a realização experimental da expansão infinita de aleatoriedade independente de dispositivo. Além disso, este estudo pode auxiliar no entendimento atual da aleatoriedade da mecânica quântica e alguns de seus limites fundamentais.

"De um ponto de vista mais prático, nosso experimento é um exemplo de redes proto-quânticas onde partículas emaranhadas são trocadas e operadas sob condições rigorosas para realizar tarefas que não são possíveis por qualquer outro sistema quântico clássico (ou quântico local), "Shalm disse." Essas redes quânticas não locais são fascinantes tanto do ponto de vista básico quanto prático. "

No futuro, o sistema desenvolvido por Shalm, Zhang e seus colegas poderiam ser usados ​​para desenvolver geradores de números aleatórios compactos e altamente seguros. Atualmente, geradores independentes de dispositivo são muito complexos para serem implementados em dispositivos compactos ou smartphones. Para superar essa limitação, os pesquisadores estão atualmente tentando integrar seu gerador de número aleatório independente de dispositivo em sinalizadores de aleatoriedade públicos que emitem bits aleatórios em intervalos periódicos.

"Este uso de nosso sistema pode servir a qualquer aplicativo que requeira uma amostra aleatória de vários recursos, "Shalm disse." Neste contexto, nosso gerador de números aleatórios pode ser usado para selecionar pessoas para o serviço do júri, para ajudar a auditar aleatoriamente os sistemas eleitorais, ou mesmo para ajudar a delinear distritos eleitorais de maneira justa e não partidária para combater a gerrymandering. Usando nosso sistema, também poderíamos deixar a mecânica quântica desenhar nossos distritos eleitorais em vez de políticos. "

Shalm, Zhang e seus colegas foram os primeiros a realizar a expansão da aleatoriedade independente do dispositivo, um tipo forte de expansão de aleatoriedade que os sistemas clássicos não podem alcançar. No futuro, seu trabalho poderia inspirar outras equipes a criar protocolos semelhantes para geradores de números aleatórios quânticos regulares.

"Agora estamos trabalhando para transformar nosso gerador de números aleatórios em um serviço completo, Shalm disse. "É incrível para mim que possamos pegar algo que tem suas origens em alguns dos primeiros debates sobre a natureza filosófica da teoria quântica e transformá-lo em um serviço público seguro."

O experimento realizado por Shalm, Zhang e seus colegas duraram duas semanas. Nessas duas semanas, os pesquisadores coletaram aproximadamente 110 horas de dados. Em seus próximos estudos, eles gostariam de melhorar a eficiência de seu sistema, permitindo que ele realize a expansão da aleatoriedade independente do dispositivo dentro de algumas horas de tempo de execução experimental.

"Além disso, nossa análise de segurança atual funciona na presença de um hacker clássico que detém informações secundárias clássicas arbitrárias da aleatoriedade de saída, mas não compartilha nenhum emaranhamento com os dispositivos quânticos usados, "Zhang disse." No futuro, gostaríamos de aumentar a segurança dos bits aleatórios de saída contra o hacker quântico mais poderoso que está totalmente emaranhado com nossos dispositivos quânticos. "

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