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Quantum Noise bricht Zufallszahlengenerator-Rekord
Zufallszahlen sind nützliche Tiere, insbesondere für Kryptographen, die sie verwenden, um ihre Codes zu generieren.
Aber wie kann man am besten Zufallszahlen mit nützlicher Geschwindigkeit erstellen? Die Frage ist eng mit der Natur der Zufälligkeit verbunden. Eine Möglichkeit besteht darin, sich auf einen Computer zu verlassen, der die Aufgabe mit einem Algorithmus erledigt, der Zahlen generiert, die zufällig aussehen und sich anfühlen. Zum Beispiel erscheinen die Ziffern von pi zufällig, können aber durch einen einfachen Algorithmus generiert werden.
Mathematiker behandeln diese sogenannten Pseudo-Zufallszahlen mit Vorsicht. Ein Grund, warum sie Zufallszahlen schätzen, liegt gerade darin, dass sie durch keinen logischen Prozess erzeugt werden können: Alles, was berechnet werden kann, wie pi, fällt eindeutig aus dieser Kategorie. Insbesondere Kryptographen wollen Codes, die von einem Lauscher mit einem ausreichend leistungsfähigen Computer nicht berechnet werden können.
Der derzeitige Konsens ist, dass die beste Quelle für Zufälligkeit die Quantenwelt ist, in der Unsicherheit herrscht. Wir haben uns kürzlich angesehen, wie gut diese Zufälligkeit ist. Jede Unsicherheit im Wert physikalischer Größen wie Position, Impuls, elektrisches Feld ist ausreichend.
Eine Möglichkeit, diese Unsicherheit auszunutzen, besteht darin, Photonen zu einem halbversilberten Spiegel zu schicken und zu messen, ob sie reflektiert oder durchgelassen werden. Die resultierende Folge von Nullen und Einsen sollte wirklich zufällig sein.
Das Problem hierbei ist die Geschwindigkeit, mit der echte Zufallszahlen erzeugt werden können. Kommerzielle Geräte die auf diese Weise mit halbversilberten Spiegeln arbeiten, erzeugen Zufallszahlen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 16 Mbit pro Sekunde.
Heute zeigen Yu Liu und Freunde der Peking-Universität in China einen Weg, dies dramatisch zu beschleunigen. Ihre Idee ist, das Phasenrauschen eines Lasers zu nutzen, um Zufallszahlen zu generieren.
Phasenrauschen ist das Ergebnis von Quantenunsicherheiten bei der spontanen Emission von Photonen innerhalb eines Lasers – beispielsweise aufgrund von Vakuumschwankungen des elektrischen Felds. Dadurch werden die Photonen mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen emittiert.
Liu und Co verwenden diese kleine Frequenzänderung, um ein Schwebungssignal zu erzeugen, indem sie einen Teil des Laserlichts verzögern und mit der späteren Ausgabe interferieren. Anschließend tasten sie das Beat-Signal mit einem Analog-Digital-Wandler ab.
Nach einer kleinen mathematischen Reinigung besteht die resultierende Zahlenfolge eine Reihe von Standardtests für den Zufall und Liu und seine Freunde sind in der Lage, sie wirklich zufällig auszusprechen.
Beeindruckend an dieser Technik ist die erreichte Datenrate. Liu und Co fordern Datenraten von bis zu 300 Mbit pro Sekunde. Und da sich der dafür eingesetzte Vertical-Cavity-Laser relativ einfach in moderne elektronische Schaltungen integrieren lässt, steht einem baldigen kommerziellen Einsatz nichts mehr im Wege
Das ist nicht der schnellste Zufallszahlengenerator – dieser Rekord geht an ein israelisches Team, das kürzlich mit der chaotischen Leistung eines Lasers 3 Gbit pro Sekunde erreichte. Das ist gut, aber keine quantenbasierte Zufälligkeit, die für viele Physiker der Goldstandard ist.
Anfang dieses Monats behauptete ein Team in den USA den Rekord für die schnellste quantengenerierte Zufallszahl mit 100 Mbit pro Sekunde, basierend auf den Intervallen zwischen Photonenankünften an einem Detektor.
Jetzt, nur wenige Tage später, haben es die Chinesen sogar noch besser gemacht. Damit sollte ein interessanter Zahlenkampf mit anderen Anbietern von Zufallszahlen beginnen, wer am schnellsten Zufälligkeiten in höchster Qualität erzeugen kann. Bereitmachen zu kämpfen!
Ref: arxiv.org/abs/1006.3512 : Echte Zufallszahlenerzeugung durch Entropieverstärkung