Los números aleatorios generados cuánticamente establecen un nuevo estándar de precisión

• Los científicos generan números aleatorios absolutos utilizando la mecánica cuántica. 
• La técnica consiste en crear bits digitales con partículas de luz, fotones.
• Con el tiempo, podría mejorar los sistemas criptográficos y de seguridad. 

Los científicos del NIST (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) han creado una nueva técnica para generar un número aleatorio más valioso utilizando la mecánica cuántica. Ahora la imprevisibilidad de los números aleatorios supera todos los métodos utilizados anteriormente, mejorando los sistemas criptográficos y de seguridad.

¿Cuál es el problema con los sistemas existentes? Bueno, no generan un número aleatorio en sentido absoluto. Un número producido aleatoriamente por las fórmulas de la máquina o del software puede verse socavado por numerosos factores, incluidas fuentes predecibles de ruido. Puede ejecutar pruebas estadísticas, pero ninguna prueba sobre el resultado por sí sola puede garantizar que el resultado fue impredecible.

Los números aleatorios se utilizan miles de millones de veces diariamente para cifrar información privada en redes electrónicas. Pero como nadie puede garantizar que la fuente convencional sea realmente impredecible, limita la solidez de los sistemas de seguridad. Es algo así como lanzar una moneda al aire:parece aleatorio, pero uno puede saber el resultado si sigue la trayectoria de la moneda mientras cae.

Sin embargo, el nuevo método se basa en una fuente y un protocolo cuánticos. Y los investigadores están bastante seguros de que nadie puede predecir los resultados cuánticos. Sólo una máquina cuántica podría generar correlaciones estadísticas entre los resultados y las opciones de medición.

¿Cómo funciona?

La nueva técnica consiste en crear bits digitales (0 y 1) con partículas de luz, fotones. Se basa en el experimento anterior del NIST “la acción espeluznante a distancia es real” que apoyó firmemente 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 utiliza una prueba de Bell "libre de lagunas", caracterizada por una separación similar al espacio y una eficiencia de detección de las estaciones de medición durante las pruebas experimentales.

Desigualdades de Bell 

Lo siguiente que hay que entender es la prueba de Bell, en la que las mediciones se realizan en un sistema entrelazado con módulos colocados en dos estaciones de medición separadas. Se realiza 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 pruebas, entonces se certifica que los datos tienen aleatoriedad bajo suposiciones débiles.

Todos los bits son impredecibles asumiendo dos puntos clave –

1. La configuración de medición es independiente de los dispositivos y de los datos clásicos existentes sobre ellos.
2. En cada prueba experimental, los resultados de medición en cada estación son independientes de las configuraciones en la otra estación.

La primera opción no se puede comprobar, pero como uno puede seleccionar los ajustes de medición de forma independiente, a menudo implica la interpretación de varias leyes de la física y experimentos científicos. El segundo punto sólo puede infringirse si las señales pueden transmitirse a una velocidad superior a la de la luz.

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

Generando números aleatorios 

El proceso de generación de números aleatorios se puede dividir en dos pasos:generación de cadenas largas y extracción.

Primero, los investigadores utilizaron un experimento de acción espeluznante para crear una larga cadena de bits mediante una prueba de Bell. Calcularon correlaciones entre las propiedades de los pares de fotones. El factor de tiempo garantiza que las correlaciones no puedan demostrarse mediante procesos tradicionales como escenarios existentes o intercambio de datos a menos de la velocidad de la luz.

La mecánica cuántica se verificó mediante pruebas estadísticas y esta información permitió a los científicos cuantificar la aleatoriedad en la larga cuerda.

Crédito de la imagen: Shalm/NIST

Como puede ver en la configuración experimental, un rayo láser golpea un cristal único y se convierte en pares de fotones que se entrelazan. Además, los fotones se calculan para generar una cadena de números aleatorios absolutos. 

Sin embargo, la aleatoriedad no se pudo distribuir adecuadamente por toda la cadena. Por ejemplo, casi todos los bits pueden ser 1 y ninguno o muy pocos son 0. Para obtener una cadena pequeña y uniforme con aleatoriedad real (en la que cada bit tiene una probabilidad de 0,5 de ser 1 o 0), los investigadores llevan a cabo el segundo paso:la 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 mediante métodos tradicionales) para seleccionar las configuraciones de medición para las pruebas de Bell y alimentar el software, que extrae la aleatoriedad de los datos iniciales.

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Reunieron un total de 5 conjuntos de datos, y el mejor produjo 1024 bits aleatorios que se distribuyen uniformemente entre 10 y 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.