Números Aleatorios Generados Cuánticamente Establecen Nuevo Estándar de Precisión

• Científicos generan números aleatorios absolutos usando mecánica cuántica.
• La técnica implica crear bits digitales con partículas de luz, fotones.
• Podría eventualmente mejorar sistemas criptográficos y de seguridad.

Científicos del NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) han construido una nueva técnica para generar un número aleatorio más precioso usando mecánica cuántica. Ahora la impredecibilidad de los números aleatorios supera todos los métodos usados anteriormente, mejorando sistemas criptográficos y de seguridad.

¿Cuál es el problema con los sistemas existentes, preguntarás? Bueno, no generan un número aleatorio en sentido absoluto. Un número producido aleatoriamente por la máquina o fórmulas de software puede ser socavado por numerosos factores, incluyendo fuentes predecibles de ruido. Puedes ejecutar pruebas estadísticas, pero ninguna prueba solo en el resultado puede garantizar que el resultado fue impredecible.

Los números aleatorios se usan miles de millones de veces diariamente para encriptar información privada en redes electrónicas. Pero como nadie puede garantizar que la fuente convencional es realmente impredecible, limita la fuerza de los sistemas de seguridad. Es algo como lanzar una moneda: parece aleatorio, pero se puede decir el resultado si se rastrea el camino de la moneda mientras gira.

Sin embargo, el nuevo método se basa en fuente y protocolo cuántico. Y los investigadores están bastante seguros de que nadie puede predecir los resultados basados en cuántica. Solo una máquina cuántica podría generar las correlaciones estadísticas entre salidas y elecciones de medición.

¿Cómo Funciona?

La nueva técnica implica crear bits digitales (0s y 1s) con partículas de luz, fotones. Se basa en el experimento previo del NIST "acción espeluznante a distancia es real" que apoyó fuertemente una predicción clave de la mecánica cuántica. El nuevo trabajo, sin embargo, produce una cadena de bits aleatorios mucho más reales.

Más específicamente, la generación de aleatoriedad usa una prueba de Bell "sin lagunas", caracterizada por separación de tipo espacial y eficiencia de detección de las estaciones de medición durante ensayos experimentales.

Desigualdades de Bell

Lo siguiente a entender es la prueba de Bell, en la que se hacen mediciones en un sistema entrelazado con módulos colocados en dos estaciones de medición separadas. Se hace una elección en cada estación (entre uno de dos tipos de medición).

Si los datos de medición violan ciertos escenarios llamados "desigualdades de Bell" después de múltiples ensayos, entonces los datos están certificados para tener aleatoriedad bajo suposiciones débiles.

Todos los bits son impredecibles asumiendo dos puntos clave –

1. Los ajustes de medición son independientes de los dispositivos y datos clásicos existentes sobre ellos.
2. En cada ensayo experimental, las salidas de medición en cada estación son independientes de las configuraciones en la otra estación.

El primero no es comprobable, pero como se pueden seleccionar ajustes de medición independientemente, a menudo se invoca en la interpretación de varias leyes de física y experimentos científicos. El segundo punto solo puede ser violado si las señales pueden transferirse más rápido que la velocidad de la luz.

Referencia: Nature | doi:10.1038/s41586-018-0019-0 | NIST

Generando Número Aleatorio

El proceso de generación de número aleatorio se puede dividir en dos pasos – generación de cadena larga, y extracción.

Primero, los investigadores usaron el experimento de acción espeluznante para crear una larga cadena de bits a través de una prueba de Bell. Calculaban correlaciones entre las propiedades de pares de fotones. El factor de tiempo asegura que las correlaciones no pueden ser demostradas por procesos tradicionales como escenarios existentes o intercambio de datos a menos de la velocidad de la luz.

La mecánica cuántica fue verificada usando pruebas estadísticas, y esta información permitió a los científicos cuantificar la aleatoriedad en la larga cadena.

Crédito de imagen: Shalm / NIST

Como puedes ver en la configuración experimental, un haz láser golpea un cristal único y se convierte en pares de fotones entrelazados. Los fotones se computan luego para generar una cadena de números aleatorios absolutos.

Sin embargo, la aleatoriedad no se podía distribuir adecuadamente a lo largo de la cadena. Por ejemplo, casi todos los bits podrían ser 1 con ninguno o muy pocos siendo 0. Para obtener una cadena pequeña y uniforme con aleatoriedad real (en la que cada bit tiene probabilidad 0.5 de ser 1 o 0), los investigadores realizan el segundo paso – extracción.

Diseñaron un software especial para transformar los datos de la prueba de Bell en una cadena más pequeña y uniforme.

El método general requiere 2 cadenas independientes (que contienen bits aleatorios, generados vía métodos tradicionales) para elegir configuraciones de medición para pruebas de Bell y alimentar el software, que extrae la aleatoriedad de los datos iniciales.

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Recopilaron un total de 5 conjuntos de datos, con el mejor produciendo 1.024 bits aleatorios que están distribuidos uniformemente dentro de 10-12, es decir, una billonésima parte del 1%.

Hasta la fecha, este es el mejor método para generar aleatoriedad físicamente, mejorando así la seguridad y una amplia gama de aplicaciones.