Лотереи, несчастные случаи и броски монет — мир вокруг нас полон непредсказуемых событий. Но генерировать по-настоящему случайные последовательности чисел для шифрования оставался на удивление трудной задачей.
Недавно исследователи провели эксперимент, опираясь на теории относительности и квантовой механики Эйнштейна, которые описывают вероятностную природу субатомных частиц, чтобы создать последовательность гарантированно случайных чисел.
"Если бы вы послали какую-то команду людей, чтобы настолько близко изучить компоненты нашего эксперимента, насколько они хотят, а затем попросили бы их угадать какими же будут эти случайные числа - они бы ни за что не смогли их предсказать," - заявил соавтор исследования и математик Питер Бьерхорст из Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо.
Компьютеры повсеместно используют случайные числа в качестве ключей, чтобы зашивровать или расшифровать определенную информацию. Многие процессы для получения этих ключей — такие как генератор случайных чисел, который скорее всего есть на вашем компьютере - используют алгоритм, который выдает, казалось бы, произвольный набор цифр. В других случаях пытаются использовать случайность реального мира, например, измерение времени между нажатиями клавиш или колебания температуры компьютера-сервера, чтобы произвести случайные числа.
Но такие методы все еще уязвимы для атак. Подкованные хакеры могут или вмешаться в генератор случайных чисел, или изучить принцип его работы, чтобы понять какие номера он будет выдавать. В 2012 году исследователи безопасности обнаружили, что десятки тысяч интернет-серверов оказались уязвимы для взлома из-за их опоры на некачественные генераторы случайных чисел.
Запутанные фотоны
Квантовая механика, с другой стороны, предлагает действительно случайные результаты. Например, частица света, фотон, может быть направлена либо вверх, либо вниз. Прежде чем она измеряется, частица находится в состоянии суперпозиции, в которой он имеет 50-процентный шанс направиться вверх и 50% полететь вниз. Его окончательный результат является безоговорочно случайным, но исследователи говорят, что использование этого свойства для генерации чисел до сих пор было несколько проблематично.
«Предположим, я даю вам фотон,» сказал Бьерхорст. "И я говорю: о, эта частица в состоянии суперпозиции.'" После измерения он сказал что фотон, оказывается, полетел вниз, что никто не мог бы предсказать заранее.
"Но теперь вы можете спросить: как я могу знать, что этот фотон изначально не был направлен вниз," добавил Бьерхорст. Другими словами, нет никакого способа, чтобы доказать для любого отдельного фотона то, что он был в состоянии суперпозиции до того, как его измерили. Чтобы обойти это противоречие, Бьерхорст и его коллеги подселили к имевшемуся фотону еще один. Эти пары фотонов были запутаны друг с другом, это означает, что их свойства были навсегда связаны. .
В этом эксперименте исследователи затем послали два фотона в противоположные концы лаборатории, на расстоянии 187 м друг от друга, и измерили их свойства. Из-за их запутанности фотоны всегда выдавали скоординированные результаты: если один полетел вверх, то другой всегда летел вниз.
Из-за того, что они были так далеки друг от друга, фотоны никак бы не смогли обсудить друг с другом идеально синхронный результат, если, конечно не отправляли бы сигналы быстрее скорости света, что противоречит теории относительности Эйнштейна. Следовательно, говорят исследователи, два фотона служат в качестве проверки друг друга, гарантируя, что до измерения они были фактически в состоянии суперпозиции, и что их результаты действительно случайные.
Первое использование новой технологии в реальных условиях произойдет, когда ее применят в маяк случайности NIST, общедоступный источник случайных чисел для исследователей, изучающих непредсказуемость, сказал Бьерхорст.
Но также он добавил, что надеется на то, что экспериментальная установка однажды может быть уменьшена достаточно, чтобы помещаться на компьютерном чипе и помочь в создании "невзламываемых" сообщений.
