Ohromující kvantový experiment pro zesílení náhodnosti. Kredit: ETH Zurich / Daniel Winkler.

Každý, kdo někdy byť jen přičichl ke statistice nebo třeba IT technologiím, moc dobře ví, že udělat doopravdy náhodná čísla je extrémně, vlastně až absurdně obtížné. Jako by se náhoda, kterou považujeme za naprosto všední záležitost, odmítala nechat spoutat do našich technologií.

Andreas Wallraff vlevo. Kredit: Kilian Kessler / ETH Zurich.

Ani moderní sofistikované generátory náhodných čísel ve skutečnosti nevytvářejí ideální náhodné posloupnosti čísel. Jejich algoritmy produkují drobné systematické chyby, díky nimž se některá čísla objevují o něco častěji než jiná. Pro mnohé aplikace to nebývá problém. Pokud jde ale o kryptografii, tam je to zcela fatální záležitost.

Andreas Wallraff z ETH Zürich a jeho spolupracovníci vyvinuli pozoruhodný postup, s nímž je údajně možné generovat ideálně náhodná čísla. Na začátku připustili, že nejen mince a kostky, ale ani ty nejpokročilejší generátory náhodných čísel, které jsou založené na kvantových jevech, nejsou imunní vůči systematickým chybám, kvůli nimž se některá čísla objevují o něco častěji než jiná.

Fotka ovce, uprostřed zašifrováno s běžnou náhodností, vpravo zašifrováno se zesílenou náhodností. Kredit: ETH Zurich.

Pak vymysleli lstivou metodu, jak nedokonale náhodných dat vytěžit „dokonale“ náhodná čísla. Říkají tomu zesilování náhodnosti (randomness amplification). Wallraff s kolegy k tomu využívají pozoruhodné experimentální zařízení tvořené dvěma supravodivými kvantovými čipy, které ochlazují na extrémně nízké teploty blízké absolutní nule. Každý čip představuje qubit, který může nabývat stavu „0“, „1“ nebo libovolné superpozice těchto stavů. Oba čipy propojuje třicet metrů dlouhá trubice, která je rovněž chlazena.

Mezi čipy mohou létat mikrovlnné fotony, čímž vzniká kvantové provázání. To znamená, že kvantové měření jednoho qubitu, které náhodně poskytne hodnotu „0“ nebo „1“, automaticky a na dálku ovlivní, zda bude na druhém qubitu naměřena „0“ nebo „1“. Vzdálenost 30 metrů zajišťuje, že během měření nemůže být mezi qubity přenesena žádná informace, a to ani rychlostí světla. Takový přenos by totiž dokonalou náhodnost narušil.

Experiment zahrnoval generování nedokonale náhodných čísel a poté zesílení jejich náhodnosti pomocí speciálního algoritmu. Badatelé jsou přesvědčeni, že vytvořili náhodná čísla, která zůstanou dokonale náhodná po celou věčnost, bez ohledu na to, jaké analytické metody budou v budoucnu použity k posuzování jejich náhodnosti. Měl by to být fyzikálně certifikovaný zdroj náhodnosti, na který se mohou spolehnout další systémy. Aplikace by mohly být úžasně rozmanité, od šifrované komunikace a digitálních identit až po služby poskytující náhodná čísla pro loterie nebo aplikace založené na blockchainu.

Video: APS 2026 | “What’s Needed for the Long-Lived Logical Qubit?” - Andreas Wallraff

Video: Andreas Wallraff: Quantum Computing with Superconducting Circuits

Literatura

ETH Zurich 27. 5. 2028.

Nature 653: 1033–1038.