Der weltweit schnellste Quanten-Zufallszahlengenerator in China vorgestellt

Datenschutz ist eine der wertvollsten Eigenschaften der Gesellschaft. Die Fähigkeit, private Nachrichten zu senden und Finanztransaktionen durchzuführen, ohne befürchten zu müssen, überwacht zu werden, ist das Herzstück vieler staatlicher, militärischer und kommerzieller Aktivitäten.

Eine Technologie, die dies perfekt ermöglicht, ist die Quantenkryptografie, und sie erfordert eine leistungsstarke Quelle für Zufallszahlen.

Aber es gibt ein Problem. Zufallszahlen sind überraschend schwer in großen Mengen zu generieren. Eine der besten Quellen ist die Quantenwelt, die grundsätzlich zufällig ist. Aber die besten kommerziell erhältlichen Quanten-Zufallszahlengeneratoren erzeugen sie nur mit einer Rate von einer Million pro Sekunde, weit entfernt von den vielen zehn Milliarden pro Sekunde, die viele Anwendungen benötigen.

Heute scheint sich das dank der Arbeit von You-Qi Nie vom Hefei National Laboratory for Physical Sciences in China und einigen Freunden geändert zu haben, die sagen, dass sie einen Quanten-Zufallszahlengenerator gebaut haben, der in der Lage ist, 68 Milliarden davon pro Sekunde zu erzeugen. Sie sagen, dass die Technik ein wichtiges Hindernis beseitigen sollte, das Regierungen, das Militär und den Rest von uns daran hindert, von perfekter Sicherheit zu profitieren.

Zufallszahlen müssen unvorhersehbar und nicht reproduzierbar sein, und dies schließt ihre Erzeugung mit gewöhnlichen algorithmischen Verfahren aus, die tendenziell sowohl vorhersagbar als auch reproduzierbar sind. Informatiker wissen seit langem, dass Programme, die vorgeben, Zufallszahlen zu erzeugen, in der Regel nichts dergleichen tun.

Stattdessen haben sich Physiker natürlichen Prozessen zugewandt, um Zufallszahlen zu erzeugen. Zum Beispiel wird angenommen, dass Turbulenz völlig zufällig ist, so dass die Messung turbulenter Auswirkungen, die die Atmosphäre auf einen Laserstrahl hat, eine Methode zur Erzeugung von Zufallszahlen ist, wenn auch eine ziemlich langsame und eine, die leicht durch Umweltfaktoren beeinflusst werden könnte.

Deshalb verwenden Physiker bevorzugt Quantenprozesse, um Zufallszahlen zu erzeugen. Es wird angenommen, dass diese im Prinzip zufällig und von grundlegender Natur sind, was wichtig ist, weil es bedeutet, dass es keinen zugrunde liegenden physikalischen Prozess geben kann, der Vorhersagbarkeit einführen könnte.

Physiker haben viele Möglichkeiten ausprobiert, um Quantenzufallszahlen zu erzeugen. Eine der beliebtesten ist es, einen Strom von Photonen durch einen Strahlteiler zu schicken, der sie mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent durchlässt oder reflektiert. Das einfache Zählen der reflektierten oder transmittierten Photonen erzeugt eine zufällige Folge von 0 und 1.

Genau so funktioniert der weltweit einzige kommerziell erhältliche Quanten-Zufallszahlengenerator. Seine Geschwindigkeit ist jedoch auf etwa ein Megabit pro Sekunde begrenzt. Denn schneller können Einzelphotonendetektoren nicht zählen.

Vor kurzem haben Physiker begonnen, mit einer neuen Technik herumzuspielen. Dies ergibt sich aus den zwei unterschiedlichen Arten, wie Photonen in Lasern erzeugt werden. Die erste ist die stimulierte Emission, ein vorhersagbarer Prozess, der Photonen erzeugt, die alle die gleiche Phase haben. Die zweite ist die spontane Emission, ein völlig zufälliger Quantenprozess. Diese Photonen werden normalerweise als Rauschen behandelt und auf jeden Fall überschwemmt, wenn der Laser mit voller Neigung arbeitet.

Die spontane Emission wird jedoch signifikant, wenn der Laser auf seinem Schwellenpegel arbeitet, bevor die stimulierte Emission wirklich greift. Wenn es möglich ist, diese Photonen zu messen, dann könnte es möglich sein, ihre zufällige Natur auszunutzen.

You-Qi und Co haben genau das getan. Diese Jungs haben ein hochempfindliches Interferometer entwickelt, das Schwankungen in der Phase von Photonen in Intensitätsänderungen umwandelt. Das ist wichtig, weil Intensitätsänderungen einfach mit herkömmlichen Photodetektoren gemessen werden können, die mit viel höheren Raten arbeiten als Einzelphotonendetektoren.

Dadurch konnte das Team diese zufälligen Änderungen messen und mit einer Rate von 80 Gbit/s digitalisieren. Dieser Datenstrom muss dann auf verschiedene Weise bereinigt werden, um etwaige Verzerrungen zu beseitigen, die durch den Messprozess eingeführt wurden.

Aber danach ist das Team immer noch in der Lage, Zufallszahlen mit einer Rate von 68 Gbit/s zu erzeugen.

Es gibt keine Möglichkeit, zu garantieren, dass eine Zahlenfolge absolut zufällig ist, aber es gibt eine Reihe von Standardtests, die bestimmte Arten von Mustern erkennen können, wenn sie vorhanden sind. You-Qi und Co sagen, dass ihre Zufallszahlenfolgen all diese Tests mit Bravour bestehen.

Das Endergebnis ist der mit Abstand schnellste Quanten-Zufallszahlengenerator, der jemals produziert wurde.

Das ist eine beeindruckende Arbeit, die den Boden für einige Mainstream-Anwendungen mit Quantenkryptografie bereiten sollte. Unsere Demonstration zeigt, dass schnelle Quanten-Zufallszahlengeneratoren reif für den praktischen Einsatz sind, sagen You-Qi und Co. Unser Quanten-Zufallszahlengenerator könnte ein praktischer Ansatz für einige spezifische Anwendungen wie QKD-Systeme mit einer Taktrate von über 10 GHz sein.

Mit anderen Worten, viele Organisationen, die ein praktisches System benötigen, das eine durch die Gesetze der Quantenphysik garantierte Geheimhaltung bietet, müssen möglicherweise nicht mehr lange warten.

Ref: arxiv.org/abs/1506.00720 : 68-Gbit/s-Quanten-Zufallszahlenerzeugung durch Messen von Laserphasenfluktuationen

verbergen