CURBy: человек протянул руку в хаос — и смог его измерить
NewsMakerС новым генератором случайность приручили и выставили всему миру напоказ.
NIST представил квантовый генератор случайных чисел на основе теста Белла Случайность — не абстрактная концепция, а реальный и крайне ценный ресурс. От неё напрямую зависят безопасность криптографических систем, точность статистических исследований, надёжность компьютерного моделирования и даже такие повседневные вещи, как честность лотерей или азартных игр. Случайные числа также могут использоваться для действительно справедливого распределения ресурсов — например, при формировании списков присяжных или выборе объектов для налоговых проверок. Но работает это только при одном условии: если люди уверены, что эти числа действительно случайны.
Теперь для этого есть новый инструмент. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) совместно с учёными Университета Колорадо в Боулдере разработал CURBy — генератор случайных чисел, основанный на законах квантовой физики. В отличие от привычных подходов, этот сервис опирается не на программные алгоритмы или физические процессы вроде радиоактивного распада, а на фундаментальное квантовое явление — запутанность частиц.
В центре CURBy лежит эксперимент, известный как тест Белла, который позволяет проверить, действительно ли частицы ведут себя в соответствии с принципами квантовой механики. Впервые этот эксперимент учёные NIST провели в 2015 году, продемонстрировав убедительное доказательство существования квантовой запутанности — состояния, при котором параметры двух частиц остаются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними.
Спустя три года команда NIST показала, что результаты таких экспериментов можно использовать для генерации по-настоящему случайных чисел. Однако тогда процесс был крайне медленным: на получение одного блока случайных чисел уходило около десяти минут. Теперь, благодаря сотрудничеству с учёными из Колорадо, удалось кардинально ускорить этот процесс: CURBy генерирует строку случайных чисел всего за минуту, обеспечивая сотни таких строк в сутки. Причём эти числа сразу публикуются в открытом доступе на сайте проекта.
Принцип работы генератора основан на взаимодействии лазера и кристалла, который производит пары фотонов с перепутанными поляризациями. Эти фотоны направляются в два независимых измерительных пункта, расположенных на расстоянии около ста метров друг от друга. Каждый пункт снабжён поляризационным фильтром, параметры которого случайно меняются. После прохождения или блокировки фотона, детекторы фиксируют результат. Эта процедура повторяется с частотой 250 тысяч раз в секунду.
Ключевая особенность теста Белла состоит в том, что если фотоны ведут себя согласно классической физике, то их поляризация определяется заранее, что накладывает ограничение на уровень статистических корреляций между результатами на двух станциях. Но если фотоны действительно находятся в состоянии квантовой запутанности, то они существуют в общем неопределённом состоянии до момента измерения. Причём измерение одного фотона мгновенно влияет на состояние второго, независимо от расстояния между ними.
Когда учёные фиксируют корреляции в результатах, превышающие порог, допустимый для классических систем, это подтверждает, что фотоны ведут себя согласно квантовым законам. А поскольку квантовая механика по своей природе вероятностна, предсказать исход этих измерений заранее невозможно. Именно эта фундаментальная непредсказуемость и используется как источник непредсказуемости для генерации случайных чисел.
После накопления примерно 15 миллионов детектированных событий данные отправляются в Университет Колорадо, где специальная компьютерная программа превращает их в строку из 512 случайных битов. Эти данные затем становятся общедоступными через сайт CURBy.
Разработка CURBy — не единственный проект в этой области. Ранее компания Amazon уже запустила квантовый генератор случайных чисел на своей облачной платформе, а исследователи активно изучают, как квантовые генераторы меняют правила игры в области кибербезопасности.
Однако, как подчёркивают разработчики, одного только квантового эффекта недостаточно для абсолютного доверия. Поэтому CURBy дополнительно использует технологию блокчейна, которая позволяет любому желающему проследить и проверить весь процесс генерации чисел. На каждом этапе процесса с помощью криптографического алгоритма создаётся уникальный цифровой отпечаток данных — так называемый хеш. Каждый следующий блок данных включает хеш предыдущего, формируя цепочку. Такая структура не только позволяет отследить происхождение случайных чисел, но и делает крайне затруднительной попытку их подмены: чтобы изменить один блок, злоумышленнику пришлось бы переписать все последующие.
Кроме того, учёные внедрили собственный протокол Twine, который усиливает надёжность системы за счёт перекрёстного контроля. Каждый участник процесса случайной генерации поддерживает собственную блокчейн-цепочку. В текущей версии системы задействованы три цепочки: от NIST, где проводится сам тест Белла; от Университета Колорадо, где анализируются данные; и от независимого сервиса Distributed Randomness Beacon Daemon, который предоставляет дополнительное случайное число, используемое при финальной обработке данных. В будущем, как планируют исследователи, к этому протоколу могут подключаться и другие независимые генераторы случайности.
Такая взаимосвязанная структура, которую разработчики метафорически называют "гобеленом", значительно усложняет возможные манипуляции. Если какая-то из сторон попытается изменить свои данные, это сразу станет заметно по несостыковкам между цепочками. Чем больше таких независимых звеньев участвует в процессе, тем плотнее "гобелен" и тем сложнее подделать результаты.
Важность таких разработок трудно переоценить в контексте развития квантовых технологий. Современные системы квантовой криптографии уже активно используют принципы квантовой физики для защиты данных, а появление квантовых компьютеров ставит новые вызовы перед традиционной криптографией, требуя развития постквантовых методов защиты.
Как отмечает участник проекта из Университета Колорадо Джаспер Палфри, именно многоуровневая архитектура, объединяющая квантовую физику и криптографические технологии, делает CURBy уникальным инструментом, способным обеспечить действительно справедливое распределение случайных чисел — без возможности вмешательства или манипуляций.
Теперь для этого есть новый инструмент. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) совместно с учёными Университета Колорадо в Боулдере разработал CURBy — генератор случайных чисел, основанный на законах квантовой физики. В отличие от привычных подходов, этот сервис опирается не на программные алгоритмы или физические процессы вроде радиоактивного распада, а на фундаментальное квантовое явление — запутанность частиц.
В центре CURBy лежит эксперимент, известный как тест Белла, который позволяет проверить, действительно ли частицы ведут себя в соответствии с принципами квантовой механики. Впервые этот эксперимент учёные NIST провели в 2015 году, продемонстрировав убедительное доказательство существования квантовой запутанности — состояния, при котором параметры двух частиц остаются взаимосвязанными независимо от расстояния между ними.
Спустя три года команда NIST показала, что результаты таких экспериментов можно использовать для генерации по-настоящему случайных чисел. Однако тогда процесс был крайне медленным: на получение одного блока случайных чисел уходило около десяти минут. Теперь, благодаря сотрудничеству с учёными из Колорадо, удалось кардинально ускорить этот процесс: CURBy генерирует строку случайных чисел всего за минуту, обеспечивая сотни таких строк в сутки. Причём эти числа сразу публикуются в открытом доступе на сайте проекта.
Принцип работы генератора основан на взаимодействии лазера и кристалла, который производит пары фотонов с перепутанными поляризациями. Эти фотоны направляются в два независимых измерительных пункта, расположенных на расстоянии около ста метров друг от друга. Каждый пункт снабжён поляризационным фильтром, параметры которого случайно меняются. После прохождения или блокировки фотона, детекторы фиксируют результат. Эта процедура повторяется с частотой 250 тысяч раз в секунду.
Ключевая особенность теста Белла состоит в том, что если фотоны ведут себя согласно классической физике, то их поляризация определяется заранее, что накладывает ограничение на уровень статистических корреляций между результатами на двух станциях. Но если фотоны действительно находятся в состоянии квантовой запутанности, то они существуют в общем неопределённом состоянии до момента измерения. Причём измерение одного фотона мгновенно влияет на состояние второго, независимо от расстояния между ними.
Когда учёные фиксируют корреляции в результатах, превышающие порог, допустимый для классических систем, это подтверждает, что фотоны ведут себя согласно квантовым законам. А поскольку квантовая механика по своей природе вероятностна, предсказать исход этих измерений заранее невозможно. Именно эта фундаментальная непредсказуемость и используется как источник непредсказуемости для генерации случайных чисел.
После накопления примерно 15 миллионов детектированных событий данные отправляются в Университет Колорадо, где специальная компьютерная программа превращает их в строку из 512 случайных битов. Эти данные затем становятся общедоступными через сайт CURBy.
Разработка CURBy — не единственный проект в этой области. Ранее компания Amazon уже запустила квантовый генератор случайных чисел на своей облачной платформе, а исследователи активно изучают, как квантовые генераторы меняют правила игры в области кибербезопасности.
Однако, как подчёркивают разработчики, одного только квантового эффекта недостаточно для абсолютного доверия. Поэтому CURBy дополнительно использует технологию блокчейна, которая позволяет любому желающему проследить и проверить весь процесс генерации чисел. На каждом этапе процесса с помощью криптографического алгоритма создаётся уникальный цифровой отпечаток данных — так называемый хеш. Каждый следующий блок данных включает хеш предыдущего, формируя цепочку. Такая структура не только позволяет отследить происхождение случайных чисел, но и делает крайне затруднительной попытку их подмены: чтобы изменить один блок, злоумышленнику пришлось бы переписать все последующие.
Кроме того, учёные внедрили собственный протокол Twine, который усиливает надёжность системы за счёт перекрёстного контроля. Каждый участник процесса случайной генерации поддерживает собственную блокчейн-цепочку. В текущей версии системы задействованы три цепочки: от NIST, где проводится сам тест Белла; от Университета Колорадо, где анализируются данные; и от независимого сервиса Distributed Randomness Beacon Daemon, который предоставляет дополнительное случайное число, используемое при финальной обработке данных. В будущем, как планируют исследователи, к этому протоколу могут подключаться и другие независимые генераторы случайности.
Такая взаимосвязанная структура, которую разработчики метафорически называют "гобеленом", значительно усложняет возможные манипуляции. Если какая-то из сторон попытается изменить свои данные, это сразу станет заметно по несостыковкам между цепочками. Чем больше таких независимых звеньев участвует в процессе, тем плотнее "гобелен" и тем сложнее подделать результаты.
Важность таких разработок трудно переоценить в контексте развития квантовых технологий. Современные системы квантовой криптографии уже активно используют принципы квантовой физики для защиты данных, а появление квантовых компьютеров ставит новые вызовы перед традиционной криптографией, требуя развития постквантовых методов защиты.
Как отмечает участник проекта из Университета Колорадо Джаспер Палфри, именно многоуровневая архитектура, объединяющая квантовую физику и криптографические технологии, делает CURBy уникальным инструментом, способным обеспечить действительно справедливое распределение случайных чисел — без возможности вмешательства или манипуляций.