Хороший криптографический ключ должен состоять из чередующихся случайным образом нулей и единиц, которые составляют базовую единицу информации (бит) в цифровых устройствах, например в компьютерах.

Кажется, что создать случайный набор цифр легко, но специалисты по теории информации давно поняли, что на самом деле получить действительно случайную последовательность довольно сложно. Даже если человек будет хаотично нажимать на цифры на клавиатуре, возникает определенная последовательность или выраженное преобладание одной цифры. Еще одним недостатком «ручной» генерации ряда цифр является скорость, в миллионы раз меньшая, чем скорость генерации цифр машиной. Последняя также имеет алгоритм выбор цифр, пусть и очень сложный, но поддающийся расшифровке.

Для решения проблемы предвзятости исследователи из Женевского университета разработали новый генератор случайных чисел, основанный на принципах квантовой физики.

Квантовая физика основана на непредсказуемости действия. В отличие от классической физики в ней нет зависимости действия от причины. Если мы толкнем шарик, лежащий на плоской поверхности, он обязательно покатится — таковы ясные и понятные законы классической физики. Но если направить фотон на полупрозрачное зеркало, мы не можем заранее предсказать, отразится он или пройдет через зеркало. Потому что в квантовой физике действие случайно. Следовательно, генератор на основе законов квантовой механики невозможно упрекнуть в предвзятости или наличии алгоритма.

Квантовые генераторы случайных чисел уже существуют, но имеют ограничение: пользователю невозможно убедиться, что генерируемые числа действительно случайны, а не состоят, например, из цифр последовательности числа π. Пользователь должен просто доверять устройству.

Преимущество нового генератора в том, что исследователи разработали метод его самодиагностики. Она позволяет пользователю проверять, что устройство генерирует именно случайные цифры. Иначе говоря, генератор может в реальном времени оценивать уровень энтропии выдаваемой информации. Чем больше энтропия, тем больше случайность выдаваемых чисел, и наоборот.

Самопроизвольный квантовый генератор случайных чисел позволит повысить безопасность паролей и криптографических протоколов еще на одну ступень. Здесь безопасность гарантируется самими законами физики, а не технологическими ограничениями хакеров. Также создатели обещают, что он прост во внедрении и быстрее в скорости обработки информации, чем аналоги.

Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.