Случайные числа являются основополагающим элементом в криптографии, статистическом моделировании и разных фундаментальных исследованиях. Качество случайности здесь напрямую определяет точность численных методов и безопасность криптографических систем. В связи с этим для генерации истинных случайных чисел всё чаще используются физические явления различной природы. Квантовые генераторы случайных чисел (КГСЧ) основаны на внутренней случайности квантово-механических систем. Широкое распространение в качестве источников энтропии получили статистическое распределение числа фотонов, суперлюминесценция, фазовые шумы лазеров, комбинационное рассеяние света, вакуумные флуктуации. Сложность конструкции КГСЧ и достижимая скорость генерации во многом зависят от выбранного источника энтропии. При этом не каждая физическая система успешно воспроизводится в интегральном исполнении, что затрудняет внедрение КГСЧ в промышленные устройства.
Квантовый генератор случайных чисел — это мощный инструмент, который генерирует случайные числа безопасным и непредсказуемым образом, а также однофотонный апд. Эта удивительная технология имеет множество преимуществ, в том числе:
- Высокая безопасность. В отличие от традиционных генераторов случайных чисел, квантовые генераторы случайных чисел основаны на фундаментальных принципах механики, что делает их практически неуязвимыми для взлома.
- Непредсказуемость: случайность, создаваемая квантовыми генераторами случайных чисел, совершенно непредсказуема, поэтому результат невозможно предсказать даже с помощью передового программного обеспечения.
- Высокая скорость работы: квантовые генераторы случайных чисел могут генерировать миллионы случайных битов в секунду, что делает их хорошо подходящими для использования в ряде приложений.
- Высокая точность: случайность, генерируемая квантовым генератором случайных чисел, имеет очень высокую однородность и точность, что делает его идеальным для использования в научных исследованиях и анализе данных.
Используя в своих интересах миниатюрные технологии манипуляции светом на кристалле чипа, группа исследователей из Испании и Италии создала первую интегральную схему, способную генерировать поток случайных чисел при помощи совершенно непредсказуемых явлений квантовой механики. Последовательность случайных чисел является одним из ключевых компонентов некоторых современных систем шифрования, систем сложного вычислительного моделирования.
В настоящее время используются два типа генераторов случайных чисел, одни из которых используют компьютерные алгоритмы, а другие – специальные аппаратные средства, аналоговые или цифровые схемы, чувствительные к некоторым параметрам окружающей среды, имеющим непредсказуемый характер поведения.
Несмотря на то, что последовательности чисел, сгенерированные современными средствами, выглядят абсолютно случайно, сложная математическая обработка этих рядов позволяет вычислить функцию корреляции, на основе значения которой можно с большим процентом вероятности предугадать значения следующих чисел в последовательности. И это, в свою очередь, оставляет “лазейку” для взлома систем, использующих такие генераторы случайных чисел.
Поведение систем, которые подчиняются законам квантовой механики, в нынешнее время предугадать не представляется возможным. “Квантовая физика по определению носит непредсказуемый характер” – рассказывает Валерио Прунери (Valerio Pruneri), ученый из Института фотонных наук (Institute of Photonic Sciences), Испания, – “Сейчас нет ни единого способа предугадать значение следующих случайных чисел, полученных квантовым генератором”.
Квантовые генераторы случайных чисел существуют на свете уже достаточно давно, на рынке даже представлено несколько типов коммерческих систем. Однако, группа Валерио Прунери создала первый сверхминиатюрный квантовый генератор, чип которого можно использовать даже в конструкции смартфонов и прочих портативных электронных устройств.
Чип квантового генератора может изготавливаться при помощи существующих технологий производства полупроводниковых чипов. За хаотичность квантовой системы на этом чипе отвечает крошечный импульсный лазер из фосфида индия. При накачке ниже определенного предела этот лазер излучает лишь небольшое количество фотонов света со случайным значением их фазы за счет явления непосредственного излучения, т.е. лазер работает как обычный светодиод. Однако, при повышении уровня энергетической накачки этот лазер начинает работать как лазер и его излучение становится более упорядоченным.
Для выделения случайной составляющей, скрытой в фазе фотонов света, импульсы света смешиваются со светом второго лазера из фосфида индия. Разница в фазах смешиваемых импульсов света приводит к возникновению различий в яркости суммарных импульсов, что и регистрируется высокочувствительным фотодатчиком. Такой “квантовый источник энтропии” может использоваться для производства большого количества случайных чисел, скорость потока случайных чисел достигает гигабита в секунду.
Сейчас исследователи работают над интеграцией в чип квантового генератора элементов CMOS-логики, которые будут преобразовывать поток случайных 0 и 1 в числовые значения заданной разрядности, которыми оперирует программное обеспечение вычислительной техники.
Также стало известно, что китайские учёные создали сверхкомпактный квантовый генератор случайных чисел (QRNG). Он уже продемонстрировал рекордную скорость работы, открывая новые возможности для создания современных устройств.
Существующие QRNG используются в шифровании и имеют слишком большие размеры, что препятствует их массовому распространению. Команде китайских исследователей удалось сделать подобные устройства не только меньше, но и быстрее. Аппарат получил фотонный интегрированный чип размером с кончик пальца. Чип работает в паре с оптимизированной постобработкой в реальном времени для обнаружения сигналов от источника квантовой энтропии со значительно улучшенной частотной характеристикой.
Кремниевый чип создан с использованием индий-германий-арсенидных фотодиодов и трансимпедансного усилителя. Он также включает несколько ответвителей и аттенюаторов. Исследователи уверяют, что характеристики чипа превзошли все ожидания, а генерация чисел происходит со скоростью до 19 Гбит/с. Устройство позволяет отправлять числа на любой компьютер с помощью традиционных оптоволоконных технологий.
Чип получил размер 15,6 x 18,0 мм, а команда учёных планирует сделать на его основе недорогой прибор с умеренной скоростью передачи данных для коммерческого применения.
Отечественный опыт
В представленной работе в качестве источника энтропии используется вакуумный шум, регистрируемый с помощью сбалансированного гомодинного приёмника. Такой метод отличается рядом преимуществ, среди которых доступность источника энтропии, устойчивость системы к внешним возмущениям и нестабильности лазерного излучения. Применение интегрированной архитектуры позволило снизить вклад дробового шума приёмника, что при учёте нелинейности работы аналого-цифрового преобразователя увеличивает скорость генерации до 100 Гбит/с.
Практическая реализация
Принципиальная схема КГСЧ
Схема предложенного КГСЧ представлена на рисунке 1. Непрерывный одночастотный лазер с длиной волны 1550 нм (NKT Koheras Basik E15) подключается к фотонной интегральной схеме (PIC) со смесителем и двумя фотодиодами. Фототок преобразуется в напряжение с помощью трансимпедансного усилителя (ТИУ), а затем усиливается линейным широкополосным усилителем для оптимального заполнения диапазона АЦП. Аналоговый сигнал оцифровывается осциллографом со встроенным 8-разрядным АЦП с частотой дискретизации 20 ГГц. Для экстракции случайных чисел используется хэширование матрицами Тёплица. Сгенерированные последовательности чисел успешно проходят статистическое тестирование NIST и DIEHARDER.
Помимо уменьшения габаритов установки сбалансированный гомодинный приёмник гарантирует гибкость настройки КГСЧ под конкретные условия применения, увеличивая производительность. Это проявляется в виде широкой полосы пропускания (20 ГГц) и большого динамического диапазона (28 дБ).
Для создания высокопроизводительного КГСЧ требуется приёмник с высокой пропускной способностью и низкими временными корреляциями. Временные корреляции сигнала приёмника сильно взаимосвязаны с частотой Найквиста АЦП и сложностью создания чувствительного малошумного широкополосного (не менее 10 ГГц) трансимпедансного усилителя. Для улучшения характеристик и снижения временных корреляций дополнительно используется эквалайзер.
В ходе исследования КГСЧ показал скорость генерации случайной последовательности чисел до 38,13 Гбит/с без использования эквалайзера. При применении эквалайзера с 9 и 201 ступенями удалось достичь скоростей генерации 71,88 Гбит/с и 100 Гбит/c соответственно. Как показывают расчёты, с идеальным приёмником без временных корреляций достижима скорость генерации до 138,75 Гбит/с.
Также стало известно, что ученые НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра в составе международной исследовательской группы разработали самый быстрый и доступный квантовый генератор случайных чисел. Созданное устройство генерирует случайные числа со скоростью 8.05 Гб в секунду и подтверждает их случайный характер в режиме реального времени. Технология может лечь в основу производства коммерческих генераторов случайных чисел, применяемых в криптографии и для моделирования сложных систем. Результаты исследования опубликованы в журнале Physics Review X.
Генераторы случайных чисел – важная составляющая многих алгоритмов, включая алгоритмы шифрования и численного моделирования. Они также используются при разработке компьютерных игр и игровых автоматов. Использование генерации случайных чисел позволяет создавать «ключи» шифрования для защиты информации при ее передаче. Кроме того, генераторы случайных чисел могут существенно повысить возможности искусственного интеллекта.
При этом несмотря на то что генерируемые компьютером числа могут казаться случайными на первый взгляд, действительно случайными их назвать нельзя. Это значит, что во многих случаях предсказать, какое число выдаст компьютер, все же возможно. Таким образом, неслучайная природа случайных чисел является фактором риска при создании шифровальных протоколов для защиты информации.
В поисках решения данной проблемы ученые все чаще обращаются к методам квантовой механики, так как результаты квантовых измерений невозможно с уверенностью предсказать, что позволяет генерировать числа, которые можно назвать истинно случайными. Новый метод генерации истинно случайных чисел, предложенный учеными НИТУ «МИСиС», РКЦ, Оксфордского университета, Голдсмитского колледжа и Свободного университета Берлина, основан на использовании квантовых свойств фотонов. Числа, которые производит разработанный ими оптический генератор, в режиме реального времени проходят сертификацию, чтобы подтвердить квантовый характер процесса их генерации.
«Квантовые процессы позволяют генерировать числа, случайность которых гарантируется законами физики. Разрабатываемые на квантовых принципах устройства для генерации случайных чисел имеют ряд важных практических приложений», – подчеркивает Алексей Федоров, один из авторов исследования, руководитель научной группы РКЦ, руководитель лаборатории Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС».
В ходе эксперимента ученые направляли излучение от источника, который считается недоверенным, на один из двух входных портов светоделителя, при этом второй порт оставался пустым, «принимая» на вход вакуум. У выходов светоделителя были установлены детекторы, фиксировавшие число попадающих в них фотонов. Поскольку каждый фотон, приходящий на симметричный светоделитель, с одинаковой вероятностью может быть обнаружен в одном из двух выходов светоделителя, разницу в количестве фотонов, приходящих на детекторы, невозможно предсказать – она является случайной величиной.
Чтобы убедиться в надежности такого способа генерации случайных чисел, исследователи измеряли также количество фотонов во входящем источнике света. Их не должно быть слишком мало – в таком случае количество возможных непрогнозируемых событий будет недостаточным для подтверждения истинного характера случайности. Их также не должно быть слишком много, иначе детекторы будут переходить в насыщение, и результаты измерений станут прогнозируемы.
В ходе эксперимента ученые создали устройство, которое не только генерирует случайные числа со скоростью 8.05 Гб в секунду, что делает его самым быстрым из подобных устройств, но и гарантирует случайный характер этих чисел в режиме реального времени. Созданные до этого прототипы подобных устройств имели скорость на несколько порядков ниже. Для эксперимента была создана специальная система для быстрой постобработки результатов измерений. По мнению авторов исследования, за счет такого процесса сертификации в сочетании с использованием доступных компонентов разработанная ими технология может лечь в основу производства коммерческих генераторов случайных чисел, имеющих широкую область применения. Высокая скорость работы, практичность и надежность могут обеспечить устройству широкое применение в криптографии, информатике, статистике, научных исследованиях и других областях.
Так, недавно компания Samsung представила мобильный телефон с квантовым генератором случайных чисел, что указывает на востребованность данной технологии на массовом рынке.
