Quantum random number generation using spatial quantum noise of light
Dieses Papier präsentiert einen robusten Quantenzufallszahlengenerator, der das räumliche Quantenrauschen kohärenten Lichts nutzt, welches von einem Hochgeschwindigkeits-EMCCD (Electron-Multiplying CCD) erfasst wird, um eine instantane Bitgenerierungsrate von 5,92 Gbps zu erreichen, wobei der dauerhafte Output durch die elektronische Auslesebandbreite auf 7,5 Mbps begrenzt ist, während er gleichzeitig rigorose statistische Tests auf Zufälligkeit erfolgreich besteht.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine wirklich zufällige Zahl für einen geheimen Code zu wählen, wie etwa die Kombination zu einem digitalen Tresor. Wenn Sie einen Computer bitten, dies zu tun, folgt er eigentlich nur einem verborgenen Rezept; es ist ein „pseudozufälliger“ Generator, der zwar zufällig aussieht, aber geknackt werden könnte, wenn jemand das Rezept herausfindet. Wenn Sie eine gewöhnliche Maschine bitten, Hitze oder statische Elektrizität zu messen, ist das besser, aber es unterliegt immer noch den vorhersehbaren Gesetzen der klassischen Physik. Aber was wäre, wenn Sie die „Glitch“ des Universums selbst anzapfen könnten? In der Welt der Quantenphysik gibt es eine fundamentale Regel: Die Natur ist auf den kleinsten Skalen unscharf. Selbst ein perfekt glatter Lichtstrahl ist eigentlich nicht glatt; er besteht aus winzigen Energiepaketen, die mit einem unregelmäßigen, unvorhersehbaren Rhythmus eintreffen. Dies wird als „Quantenrauschen“ oder „Schrotrauschen“ bezeichnet. Es ist die Art und Weise des Universums, jedes Mal die Würfel rollen zu lassen, wenn ein Photon (ein Lichtteilchen) detektiert wird. Da dieses Zittern in das Gefüge der Realität eingebaut ist, kann es weder vorhergesagt noch gefälscht werden. Dies macht es zur ultimativen Quelle echter Zufälligkeit, was der Goldstandard ist, um unsere Bankkonten, privaten Nachrichten und nationalen Geheimnisse vor Hackern zu schützen.
Hier kommen die Forscher des Indian Institute of Space Science and Technology ins Spiel, die eine clevere Maschine gebaut haben, um dieses kosmische Zittern einzufangen und in einen superschnellen Strom von Zufallszahlen zu verwandeln. Anstatt zu versuchen, ein einzelnes winziges Photon nach dem anderen zu fangen (was langsam und schwierig ist), entschieden sie sich dafür, das Gesamtbild auf einmal zu betrachten. Sie nahmen einen Laserstrahl, teilten ihn in zwei auf und schienen ihn auf eine spezielle Hochgeschwindigkeitskamera namens EMCCD. Stellen Sie sich diese Kamera nicht als ein Gerät vor, das ein einzelnes Foto macht, sondern als ein riesiges Gitter aus Millionen winziger Eimer, von denen jeder darauf wartet, einen Lichtspritzer aufzufangen. Wenn der Laser auf die Kamera trifft, verursacht das „Quantenzittern“ dazu, dass das Licht ungleichmäßig über diese Eimer spritzt. Einige Eimer bekommen etwas mehr, andere etwas weniger, rein durch Zufall.
Der große Trick des Teams war es, zwei Schnappschüsse dieses spritzenden Lichts in schneller Folge zu machen und das zweite Bild vom ersten abzuziehen. Da der Laserstrahl stetig ist, hebt sich die „durchschnittliche“ Spritzbewegung gegenseitig auf, sodass nur das reine, chaotische Quantenrauschen übrig bleibt – das digitale Äquivalent zu dem Rauschen im Radio, das niemand ausblenden kann. Sie verwandelten dieses verrauschte Statiksignal dann in einen Strom aus 0en und 1en. Die Ergebnisse waren beeindruckend: In einem Bruchteil einer Sekunde konnte ihr System Zufallszahlen mit einer Geschwindigkeit von 5,92 Gbps (Gigabit pro Sekunde) erzeugen. Das ist so, als würde man in einem Augenblick eine Bibliothek voller Bücher mit Zufallscodes füllen. Die interne Verdrahtung der Kamera ist jedoch ein Flaschenhals; sie kann die Daten nur mit einer konstanten Geschwindigkeit von 7,5 Mbps (Megabit pro Sekunde) auslesen, um das Rauschen niedrig zu halten. Selbst bei dieser „langsameren“ Geschwindigkeit bestanden die von ihnen erzeugten Zahlen alle strengen statistischen Tests, die von Sicherheitsexperten verwendet werden (wie die NIST- und Diehard-Tests), was bewies, dass die Zahlen wirklich unvorhersehbar und frei von verborgenen Mustern sind. Durch die Nutzung der räumlichen „Unschärfe“ des Lichts über einen gesamten Kamerasensor hinweg haben sie eine robuste, Hochgeschwindigkeitsmethode geschaffen, um die eigene Zufälligkeit des Universums zu ernten, was ein leistungsstarkes neues Werkzeug für die Zukunft der sicheren Kommunikation bietet.
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