Skutočne náhodné čísla sú jedným zo základných stavebných kameňov bezpečnej digitálnej komunikácie, no ich vytvorenie je prekvapivo zložité.
Podľa fyzikov nie je hod kockou až taký náhodný, ako si mnohí myslia. Ilustračný obrázok. Zdroj: iStock.com/gcammino
Vedcom zo Švajčiarskeho federálneho technologického inštitútu (ETH) v Zürichu sa po prvýkrát podarilo experimentálne vytvoriť a matematicky potvrdiť dokonalú náhodnosť pomocou dvojice kvantovo previazaných čipov, čím otvorili cestu k novej generácii bezpečnostných technológií.
Náhodné čísla tvoria neviditeľný základ moderného digitálneho sveta. Používajú sa pri internetovom bankovníctve, šifrovanej komunikácii, elektronických platbách, digitálnych identitách či pri ochrane citlivých údajov. Keď si vytvoríme heslo, odošleme správu cez zabezpečenú aplikáciu alebo nakúpime online, v pozadí pracujú algoritmy závislé od kvalitnej náhodnosti.
Málokto si však uvedomuje, že vytvoriť skutočne náhodné čísla je jeden z najväčších problémov informatiky a fyziky. Väčšina dnešných počítačov totiž nepoužíva pravú náhodnosť. Generujú takzvané pseudonáhodné čísla, ktoré vznikajú podľa matematických pravidiel. Vyzerajú síce náhodne, no ak poznáme počiatočný stav systému, teoreticky ich možno predvídať.
Aj fyzikálne generátory náhodných čísel založené na elektronickom šume alebo na kvantových javoch môžu obsahovať drobné systémové odchýlky. V bežnom živote to nepredstavuje problém, no pri kryptografii alebo ochrane štátnej infraštruktúry môže byť aj minimálna predvídateľnosť bezpečnostným rizikom.
Práve preto sa vedci už desaťročia snažia vytvoriť systém, ktorý by produkoval náhodné čísla nielen zdanlivo, ale preukázateľne a matematicky dokázateľne náhodné. Teraz sa tímu fyzikov z ETH v Zürichu podarilo niečo, čo mnohí považovali za jeden z najťažších cieľov kvantových technológií – vytvoriť a certifikovať takzvanú dokonalú náhodnosť. Experiment bol publikovaný v prestížnom časopise Nature.
Prečo je náhodnosť dôležitá a taká vzácna?
Profesor Renato Renner z ETH v Zürichu upozorňuje, že náhodnosť patrí medzi najcennejšie zdroje informačnej spoločnosti. Bez nej by nebolo možné vytvárať bezpečné kryptografické kľúče ani chrániť digitálnu komunikáciu pred útokmi.
Skutočne náhodné čísla sú jedným zo základných stavebných kameňov bezpečnej digitálnej komunikácie, no ich vytvorenie je prekvapivo zložité.
Náhodnosť je pritom oveľa vzácnejšia, než sa zdá. Hodenie mincou či ruleta sa javia ako nepredvídateľné, no z pohľadu klasickej fyziky sú výsledky v princípe určiteľné. Ak by sme poznali všetky počiatočné podmienky – silu hodu, odpor vzduchu či rotáciu mince –, výsledok by bolo možné vypočítať.
Kvantová fyzika však ponúka niečo odlišné. Podľa nej existujú procesy, ktorých výsledok nie je určený dopredu. Pri meraní kvantového stavu častice vzniká skutočná neurčitosť, ktorá nie je dôsledkom nedostatku informácií, ale samotnej povahy reality.
Práve táto vlastnosť robí z kvantových systémov ideálnych kandidátov na generovanie náhodných čísel. Problém však spočíva v tom, ako dokázať, že zariadenie funguje správne a že jeho výsledky neovplyvňujú skryté chyby alebo technické nedokonalosti.
Dva čipy a kvantové previazanie
Výskumníci ETH v Zürichu využili dvojicu supravodivých kvantových čipov fungujúcich ako qubity – základné jednotky kvantovej informácie. Každý čip predstavoval qubit, ktorý môže dosahovať stav 0, 1 alebo ľubovoľnú superpozíciu týchto stavov. Čipy pracovali pri teplotách len zlomok stupňa nad absolútnou nulou a boli prepojené približne 30 metrov dlhým kryogénnym vedením (chladenou trubicou). Medzi čipmi môžu lietať mikrovlnné fotóny, čím vzniká kvantové previazanie (entanglement). To znamená, že kvantové meranie jedného qubitu, ktoré náhodne poskytne hodnotu 0 alebo 1, automaticky a na diaľku ovplyvní, či bude na druhom qubite nameraná hodnota 0 alebo 1. Vzdialenosť 30 metrov zaisťuje, že počas merania nemôže byť medzi qubitmi prenesená žiadna informácia, a to ani rýchlosťou svetla. Takýto prenos by totiž dokonalú náhodnosť narušil.
Kvantové previazanie alebo entanglement je jeden z najzáhadnejších javov modernej fyziky, pri ktorom sa dve častice správajú ako jeden systém bez ohľadu na vzdialenosť medzi nimi. Už Albert Einstein tento fenomén posmešne označil za strašidelnú akciu na diaľku (z angl. spooky action at a distance), pretože sa zdal byť v rozpore s intuitívnym chápaním sveta. Dnes patrí medzi základné piliere kvantových technológií.
Vedci následne vykonali sériu Bellových testov. Tie slúžia na overenie, či výsledky nemožno vysvetliť klasickou fyzikou. Ak Bellove nerovnosti zlyhajú, ide o silný dôkaz prítomnosti kvantového previazania a zároveň o zdroj autentickej kvantovej náhodnosti.
Obrázok ovce zašifrovaný pomocou bežnej náhodnosti (v strede) a certifikovanej dokonalej náhodnosti z experimentu ETH (vpravo). Iba dokonalá náhodnosť premení obrázok úplne na šum. Zdroj: ETH Zürich
Dokonalá náhodnosť
Najväčší úspech experimentu ale nespočíva v samotnom generovaní náhodných čísel. Kvantové generátory existujú už niekoľko rokov. Prelomové je, že vedci dokázali náhodnosť matematicky certifikovať bez toho, aby museli dôverovať samotnému zariadeniu.
Tento koncept sa označuje ako device-independent randomness – náhodnosť nezávislá od zariadenia. V praxi to znamená, že správnosť výsledkov potvrdzujú priamo zákony kvantovej fyziky, nie výrobca hardvéru ani softvéru.
Výskumníci navyše využili proces nazývaný zosilňovanie náhodnosti (randomness amplification). Zo vstupu, ktorý obsahoval len obmedzenú mieru náhodnosti, vytvorili sekvenciu, ktorú možno považovať za dokonale náhodnú. Podľa autorov štúdie ide o prvú experimentálnu realizáciu takéhoto postupu v podmienkach, ktoré spĺňajú najprísnejšie teoretické požiadavky.
Prednáška Y. Zhanga (spoluautora jednej z citovaných štúdií, publikovanej v časopise Nature) z holandskej konferencie QCrypt2020, ktorá sa zameriava na vysvetlenie konceptu náhodnosti nezávislej od zariadenia s kvantovo previazanými mikrovlnnými fotónmi. Zdroj: Youtube/ QCrypt conference
Viac než desaťročný vývoj
Úspech experimentu neprišiel zo dňa na deň. Vedci zdôrazňujú, že ide o výsledok viac než desaťročia trvajúceho vývoja supravodivých kvantových technológií. Kľúčovú úlohu zohrala mimoriadne vysoká kvalita použitých qubitov a schopnosť udržať ich kvantové vlastnosti dostatočne dlho na vykonanie experimentu.
Významný pokrok nastal aj v oblasti kvantových komunikačných technológií, ktoré umožnili spoľahlivé vytváranie previazania medzi vzdialenými čipmi. Práve spojenie viacerých technologických oblastí umožnilo realizovať experiment, ktorý bol ešte pred niekoľkými rokmi považovaný za prakticky nemožný.
Podľa vedúceho výskumu Andreasa Wallraffa ide zároveň o ukážku toho, ako sa technológie vyvíjané pre budúce kvantové počítače dajú využiť aj v úplne iných oblastiach.
Andreas Wallraff a Renato Renner vedľa 30-metrovej prepojenej trubice spájajúcej dva supravodivé čipy v role quibitov. Trubica je kvantovo previazaná mikrovlnnými fotónmi. Pomocou experimentu výskumníci z ETH po prvýkrát vygenerovali certifikovanú dokonalú náhodnosť. Zdroj: ETH Zürich
Od laboratória k internetu budúcnosti
Význam objavu ďaleko presahuje akademický výskum. Vedci prirovnávajú svoj systém k atómovým hodinám, ktoré dnes poskytujú celosvetový štandard merania času.
Pozrite si
Podobne by mohli v budúcnosti existovať zariadenia poskytujúce štandard pre náhodnosť. Banky, vlády, dátové centrá či poskytovatelia cloudových služieb by mohli využívať certifikované zdroje náhodných čísel na generovanie kryptografických kľúčov a zabezpečenie komunikácie. Takéto systémy by mohli tvoriť základ budúcich kvantových komunikačných sietí, ktoré by boli odolnejšie proti útokom než dnešné bezpečnostné riešenia.
Praktické využitie sa však nekončí pri kryptografii. Náhodné čísla zohrávajú zásadnú úlohu pri simuláciách počasia, modelovaní finančných trhov, vývoji liekov, vedeckých výpočtoch či pri trénovaní systémov umelej inteligencie. Čím kvalitnejšia je náhodnosť, tým spoľahlivejšie môžu byť výsledky.
Náhoda ako nová technologická komodita
Objav prichádza v čase, keď sa svet pripravuje na nástup výkonných kvantových počítačov. Tie by mohli v budúcnosti prelomiť niektoré dnes používané kryptografické metódy a prinútiť odborníkov vytvoriť nové formy ochrany dát.
Práve kvalita náhodných čísel bude v tomto období zohrávať kľúčovú úlohu. Aj najmodernejší šifrovací algoritmus je totiž len taký bezpečný, aké bezpečné sú kryptografické kľúče, ktoré používa. Výskumníci preto veria, že certifikovaná kvantová náhodnosť sa môže stať jedným zo základných pilierov budúcej digitálnej bezpečnosti.
Objav vedcov z ETH v Zürichu tak ukazuje, že i zdanlivo jednoduchý pojem, akým je náhoda, patrí medzi najhlbšie otázky modernej vedy. Experiment prepája kvantovú fyziku, informačnú teóriu, kryptografiu a vývoj kvantových počítačov do jedného technologického celku.
Ak sa podarí podobné systémy miniaturizovať a komercializovať, môže vzniknúť nová digitálna infraštruktúra založená na certifikovanej náhodnosti. Tak ako dnešný internet stojí na presnom čase poskytovanom atómovými hodinami, zajtrajšie komunikačné siete sa možno budú spoliehať na zdroje náhodných čísel overené samotnými zákonmi kvantovej fyziky.
Zdroje: ETH Zürich, Nature (1, 2)
(zh)
