Technika RRI poskytuje certifikovanou náhodnost s jedním qubit

Náhodnost je dnes nezbytná. Od šifrování citlivých informací po simulaci biologických systémů jsou nepředvídatelná čísla nezbytná. Přesto většina každodenních náhodných čísel není opravdu náhodná. Konvenční počítače používají algoritmy nazývané generátory pseudorandomových čísel k výrobě sekvencí, které vypadají náhodně, ale jsou nakonec předvídatelné, pokud je známo počáteční „semeno“. U aplikací, jako je kryptografie, je tato předvídatelnost nebezpečná, protože útočníci to mohli využít.

Skutečné generátory náhodných čísel se to snaží vyřešit pomocí fyzických procesů, jako je elektronický šum nebo radioaktivní rozpad, které nelze předem stanovit. Tato zařízení však nejsou ani bez problémů: v průběhu času se degradují jako jakýkoli hardware a také potřebují uživatele, aby důvěřovali výrobcům, aby do systému tajně vložili předem nahraná čísla. Certifikace, že jsou skutečně náhodné, je také obtížné.

Kvantová fyzika je zde obzvláště silná. V jeho srdci je princip, že některé výsledky, jako je rotace elektronu měřeného podél zvolené osy, jsou zásadně náhodné. Fyzici již dlouho používali kvantové experimenty k prokázání této vnitřní náhodnosti, často ukazuje, že kvantové systémy mohou porušovat matematické limity známé jako nerovnosti zvonu. Takové testy však vyžadují, aby byly alespoň dvě zapletené qubits odděleny velkou vzdáleností, což je činí nepraktické pro jeden kvantový počítač.

Alternativu poskytuje jiná nerovnost, známá jako nerovnost Leggett-Garg (LGI). Místo toho, aby vyžadoval prostorové oddělení, porovnává výsledky měření prováděných v různých časech ve stejném systému. Pokud je LGI porušena při uspokojení stavu „bez signalizace v čase“, což zajišťuje, že tyto dvě hodnoty jsou zcela nezávislé, jsou výsledky certifikovány jako skutečně náhodné.

Za tímto účelem se vědci z Ramana Research Institute vedení Urbasi Sinha položili otázku: Mohly by být moderní kvantové procesory, jako jsou dostupné na kvantové platformě IBM, již použít ke generování certifikovaných náhodných čísel? Pokud ano, prokázalo by to, že i současná generace kvantových zařízení může pro klasické stroje nemožné.

Tým postavil jednoduché kvantové obvody na supravodivých kvantových počítačích IBM, které jsou k dispozici na cloudu. Každý obvod používal pouze jeden qubit a sekvenci jednoklubových bran představujících rotace kolem zvolených os. Třikrát provedli měření a zkontrolovali výsledky, zda byla LGI porušena, zatímco stále uspokojila podmínku „bez signalizace v čase“. Pečlivě změnou parametry a omezení ve více testech tým certifikoval náhodnost generovaných bitů.

Experimenty úspěšně vytvořily náhodná čísla certifikovaná kvantovou mechanikou. Na Bruselu Brusel IBM tým pozoroval konzistentní porušování LGI, ačkoli měřené hodnoty byly mírně pod teoretickými předpovědi kvůli šumu.

„Krása naší implementace spočívá v tom, že jsme dokázali ukázat něco tak zásadního jako certifikovaná náhodnost pomocí hlučného kvantového počítače středního měřítka,“ řekl prof. Sinha, který vede laboratoř Quantum Information and Computing (QUIC). „Byli jsme schopni to udělat prostřednictvím pečlivých technik zmírňování chyb a zajištění toho, že“ klasické „chyby jsou pod kontrolou a náhodnost je čistě ze základních kvantových mechanických principů.“

Studie má několik důležitých důsledků. Ukazuje především to, že zabezpečená náhodná čísla mohou být již generována na stávajících kvantových počítačích bez propracovaných laboratorních nastavení. Protokol, který požaduje pouze jeden qubit a mělký obvod, je proveditelný pro koncové uživatele, kteří mají přístup k kvantovému počítači prostřednictvím cloudových platforem.

„Stále existuje několik výzev, které je třeba překonat na cestě, ale skutečnost, že tato certifikace je nezávislá na zařízení, je to velmi slibnou cestu,“ řekl prof. Sinha.

Práce také ukazuje, jak kvantová mechanika může dnes prospět společnosti. Klasická náhodnost nemůže falešná certifikovanou náhodnost a poskytuje vrstvu zabezpečení pro aplikace, kde je nepředvídatelnost prvořadavá, včetně šifrování dat, bezpečné komunikace a vědeckých simulací.

Výsledky zdůrazňují důležitost nástrojů pro zmírnění chyb při vytváření spolehlivého kvantového hardwaru. Techniky, jako je korekce chyb odečtu, zlepšila shodu testů s teorií a zesílenou důvěrou v generovanou náhodnost, což je základní, jak může pokrok v návrhu obvodu rozšířit schopnosti hlučných zařízení.

Studie také přispívá k základní fyzice: potvrzením porušení nerovnosti Leggett-Garg na kvantovém počítači nabízí další validaci kvantové teorie v novém prostředí. Stejné metody lze také použít k porovnávání qubitů jednotlivě a poskytnout nástroj pro testování budoucích strojů.

„Můžeme naši metodu použít jako silný měřítko pro nové registry Qubit, jak se objeví, což ukáže, jak užitečné budou tyto systémy při řešení problémů v reálném světě,“ řekl prof. Sinha.

Výsledky týmu byly zveřejněny v Frontiers in Quantum Science & Technology v září.