I recenti progressi nello sviluppo di test sperimentali di Bell hanno consentito l'implementazione di un nuovo tipo di generatore di numeri casuali indipendente dal dispositivo. Sorprendentemente, questo nuovo tipo di generatori di numeri casuali può essere realizzato con dispositivi quantistici dannosi, senza richiedere modelli dettagliati dei dispositivi quantistici utilizzati.

I ricercatori dell'Università del Colorado/NIST Boulder (CU/NIST Boulder) e della NTT Corporation in Giappone hanno recentemente sviluppato un protocollo per la generazione di numeri casuali che può essere implementato su una varietà di sistemi quantistici. Questo protocollo, presentato in un articolo pubblicato in Fisica della natura , potrebbe aprire la strada allo sviluppo di generatori di numeri casuali più sicuri ed efficaci.

"Ci interessava cercare di capire come utilizzare l'entanglement quantistico per costruire una classe completamente nuova di generatori di numeri casuali che sono, in un certo senso, le fonti di casualità più sicure che la natura consente, per quanto ne sappiamo, "Lynden Krister Shalm, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org.

Nei loro studi precedenti, Shalm e i suoi colleghi hanno cercato di sfruttare le proprietà non locali dell'entanglement quantistico per generare bit casuali certificati in modo indipendente dal dispositivo. La sicurezza del loro sistema dipendeva principalmente dal fatto che gli hacker non possono inviare informazioni a una velocità superiore a quella della luce.

"Il nostro sistema differisce dai normali generatori di numeri casuali, che si basano su un processo fisico (ad es. decadimento radioattivo) o algoritmi matematici, " disse Shalm.

In contrasto con il sistema ideato da Shalm e dai suoi colleghi, i generatori di numeri casuali basati su processi fisici o algoritmi matematici necessitano di una serie di presupposti aggiuntivi per essere soddisfatti. Per produrre bit casuali altamente sicuri e certificati utilizzando l'entanglement, però, il sistema ideato da Shalm e dai suoi colleghi deve consumare molta casualità, che compromette significativamente l'efficienza del loro sistema.

"Quando ho visitato CU/NIST Boulder all'inizio del 2017, Ero entusiasta di apprendere che il gruppo sperimentale guidato da Krister aveva già la capacità di dimostrare la generazione di casualità indipendente dal dispositivo, "Yanbao Zhang, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "Poiché un tale esperimento consuma molti bit casuali generando solo un piccolo numero di bit casuali certificati di alta qualità, è desiderabile ottenere un'espansione della casualità indipendente dal dispositivo, dove vengono generati più bit di output certificati rispetto ai bit di input consumati."

Salmo, Zhang e i loro colleghi hanno ideato un metodo che utilizza una piccola quantità di casualità del seme per generare più bit casuali certificati basati su quantistica rispetto a quelli consumati dal generatore di numeri casuali. Questa è una delle caratteristiche principali che distingue il loro sistema dagli altri generatori di numeri casuali.

"È un po' come usare un seme di cristallo per far crescere una struttura molto più grande, " ha detto Shalm. "Siamo in grado di produrre il 24% in più di bit casuali rispetto a quelli che immettiamo nel sistema".

In linea di principio, il sistema ideato da Shalm e dai suoi colleghi potrebbe essere eseguito in modo tale da consentire ai ricercatori di espandere all'infinito la casualità del seme di input. Per ottenere l'espansione della casualità, il team di CU/NIST Boulder e NTT ha dovuto spingere i propri sistemi sperimentali ai limiti attuali, poiché i loro requisiti tecnici sono incredibilmente esigenti.

Per espandere la casualità del seme di input in più bit casuali certificati in modo indipendente dal dispositivo, i ricercatori hanno dovuto fare un uso intelligente di questi frammenti di semi. I sistemi in genere ottengono ciò eseguendo un test speciale su particelle entangled, noto come "test Bell senza scappatoie".

"Invece di eseguire questo test, che consuma casualità, su tutti i fotoni entangled che produciamo, "controlliamo a campione" alcuni fotoni a caso per assicurarci che il sistema si comporti come previsto, " Ha detto Shalm. "È simile al modo in cui un ispettore alimentare potrebbe selezionare solo un piccolo ma casuale campione di pomodori per il test piuttosto che testare ogni pomodoro in una spedizione in arrivo. Il nostro protocollo di controllo a campione si comporta in modo simile, ma dobbiamo fare molta attenzione per assicurarci che il sistema da controllare non venga imbrogliato".

Nel contesto dell'analogia del "pomodoro" fornita da Shalm, se i pomodori fossero accatastati in scatole contenenti 2 ^K pomodori ciascuno, altri protocolli di controllo a campione sviluppati in passato richiedevano che ciascun pomodoro in una scatola fosse selezionato casualmente con una piccola probabilità. D'altra parte, il protocollo ideato da Shalm, Zhang e i loro colleghi richiederebbero che un solo pomodoro in una scatola fosse selezionato uniformemente a caso.

"Per controllare una scatola di pomodori, il solito protocollo consuma quindi 2 ^K bit casuali distorti mentre il nostro protocollo consuma solo k bit uniformemente casuali, " disse Zhang. "In pratica, bit casuali uniformemente piuttosto che bit casuali distorti sono facilmente accessibili da fonti come il segnale di casualità NIST. Quindi, il nostro protocollo di controllo a campione è sperimentalmente più amichevole."

Il recente studio di Shalm, Zhang e i loro colleghi potrebbero infine consentire la realizzazione sperimentale di un'espansione di casualità infinita e indipendente dal dispositivo. Inoltre, questo studio potrebbe aiutare l'attuale comprensione della casualità della meccanica quantistica e alcuni dei suoi limiti fondamentali.

"Da un punto di vista più pratico, il nostro esperimento è un esempio di reti proto-quantiche in cui le particelle entangled vengono scambiate e gestite in condizioni rigorose per svolgere compiti non possibili da nessun altro sistema classico (o quantistico locale), "Ha detto Shalm. "Queste reti quantistiche non locali sono affascinanti sia da un punto di vista fondamentale che pratico".

Nel futuro, il sistema sviluppato da Shalm, Zhang e i loro colleghi potrebbero essere utilizzati per sviluppare generatori di numeri casuali compatti e altamente sicuri. Attualmente, i generatori indipendenti dal dispositivo sono troppo complessi per essere implementati su dispositivi compatti o smartphone. Per superare questo limite, i ricercatori stanno attualmente cercando di integrare il loro generatore di numeri casuali indipendente dal dispositivo in beacon di casualità pubblici che emettono bit casuali a intervalli periodici.

"Questo uso del nostro sistema potrebbe servire a qualsiasi applicazione che richieda un campione casuale di varie risorse, " ha detto Shalm. "In questo contesto, il nostro generatore di numeri casuali potrebbe essere utilizzato per selezionare le persone per il compito di giuria, per aver aiutato a controllare in modo casuale i sistemi elettorali, o anche per aiutare a formare distretti congressuali in modo equo e imparziale per combattere il brogli. Utilizzando il nostro sistema, potremmo anche lasciare che la meccanica quantistica stila i nostri distretti elettorali invece dei politici".

Salmo, Zhang e i loro colleghi sono stati tra i primi a realizzare un'espansione della casualità indipendente dal dispositivo, un forte tipo di espansione della casualità che i sistemi classici non possono raggiungere. Nel futuro, il loro lavoro potrebbe ispirare altri team a creare protocolli simili per i normali generatori di numeri casuali quantistici.

"Ora stiamo lavorando per trasformare il nostro generatore di numeri casuali in un servizio completo, "Ha detto Shalm. "È sorprendente per me che possiamo prendere qualcosa che ha le sue origini in alcuni dei primi dibattiti sulla natura filosofica della teoria quantistica e trasformarlo in un servizio pubblico sicuro".

L'esperimento condotto da Shalm, Zhang e i loro colleghi hanno attraversato il corso di due settimane. In queste due settimane, i ricercatori hanno raccolto circa 110 ore di dati. Nei loro studi successivi, vorrebbero migliorare l'efficienza del proprio sistema, permettendogli di realizzare un'espansione della casualità indipendente dal dispositivo entro poche ore di runtime sperimentale.

"Inoltre, la nostra attuale analisi di sicurezza funziona in presenza di un hacker classico che detiene informazioni secondarie classiche arbitrarie della casualità dell'output ma non condivide alcun entanglement con i dispositivi quantistici utilizzati, " Zhang ha detto. "In futuro, vorremmo migliorare la sicurezza dei bit casuali di output contro il più potente hacker quantistico che è completamente coinvolto nei nostri dispositivi quantistici".

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