Физики из МГУ и МИФИ построили генератор, позволяющий получать последовательности случайных чисел со скоростью 75 мегабит в секунду. В качестве источника случайности устройство использует процесс поглощения фотонов атомами фотоумножителей. Статья опубликована в Laser Physics Letters.
Чтобы зашифровать информацию, необходимо сгенерировать ключ, то есть случайную последовательность нолей и единиц. Получить эту последовательность можно разными способами. Например, с помощью генератора псевдослучайных чисел, который вычисляет по заданному правилу и начальному числу последовательность, очень похожую на случайную. Проблема таких псевдослучайных последовательностей в том, что если разгадать правило, по которому генератор находит следующее число, легко предсказать, что он будет выдавать. Поэтому надежные криптографические системы используют в качестве источника физические генераторы случайности.
Физические генераторы, в свою очередь, делятся на классические и квантовые. Классические используют тот факт, что в некоторых системах погрешность начальных условий очень быстро растет со временем (динамический хаос), и предсказать их конечное состояние сложно. Тем не менее, это не настоящая случайность, поскольку классические уравнения движения являются детерминированными. В квантовой же механике неопределенность заложена в самих уравнениях движения, и при измерении состояния квантовых систем мы должны получать по-настоящему случайные числа. Поэтому последовательности, полученные с помощью квантовых генераторов, самые надежные. К сожалению, скорость генерации таких случайных последовательностей обычно не очень велика.
В данной статье физики придумали и реализовали на практике способ быстро получать случайные последовательности чисел, используя случайность процесса поглощения фотона атомом. Идея разработанного ими метода заключается в следующем. Если светить слабым лазером на кремниевый фотоумножитель, то можно считать, что атомы фотоумножителя поглощают отдельные фотоны. Вероятность того, что одиночный атом поглотит m фотонов за время T, подчиняется распределению Пуассона и равна PT(m) = e−μ×μm/m!. Здесь μ — это вероятность поглотить отдельный фотон, и чем ниже она, тем лучше работает однофотонное приближение. Тем не менее, лавинный фотоумножитель не отличает события, отвечающие разному числу фотонов, поэтому для него вероятность зарегистрировать фототок равна просто 1 − e−μ (чтобы найти ее, надо просуммировать по m от одного до бесконечности).
При повторении опыта мы обнаружим, что иногда фотоумножитель регистрирует ток несколько раз подряд, а иногда ничего не регистрирует. Число последовательных регистраций обозначим как in. Последовательность {in} является случайной, однако вероятности появления различных чисел отличаются. Поэтому с помощью специального полиномиального алгоритма такой последовательности сопоставляется номер Nj, лежащий в интервале от 0 до CnK — 1, где CnK — это биномиальный коэффициент, а K — длина j-ой последовательности. Повторяя процедуру несколько раз, мы получим новую последовательность {Nj}. Наконец, переводя каждое число в двоичную систему и обрезая его до длины Kmax (максимальная длина последовательностей {in}j), мы получим набор случайных последовательностей нулей и единиц.
Физически ученые реализовали прибор следующим образом. Чтобы повысить точность и избежать остаточных пульсаций в фотоумножителях после регистрации фототока они использовали массив из 1156 фотоумножителей размером 32×32 микрометра каждый. Температура прибора составляла 25 градусов Цельсия. В качестве источника фотонов физики взяли лазерный диод, излучающий свет на длине волны 405 нанометров. Вероятность μ в такой установке составляла примерно 0,2×10−3, то есть реализовался однофотонный случай (вероятность атома поглотить два фотона примерно в десять тысяч раз меньше, чем поглотить один). Последовательности {in} исследователи выводили с помощью разъема USB 2.0.
В итоге построенный физиками прибор позволял получать последовательности случайных чисел со скоростью 75 мегабит в секунду, что на двадцать процентов быстрее, чем предыдущий результат. Полученные последовательности с высоким уровнем достоверности (p-значение P > 0.01) прошли проверки на случайность Национального института стандартов и технологий США.
Недавно мы писали о том, как ученые из МГУ под руководством Сергея Попова нашли первый сжимающийся белый карлик. Также в начале ноября физики из Российского квантового центра ускорили исправление ошибок при квантовой передаче ключей.
Дмитрий Трунин
Оно реагирует на изменение кислотности
Австралийские материаловеды разработали антикоррозионное покрытие на основе трех типов структур. Сочетание полимерных мицелл, металл-органических каркасов и диоксида кремния обеспечивает стабильность покрытия и позволяет высвобождать ингибитор в нужный момент — когда изменение кислотности сообщит о начале коррозии. В результате покрытия сохранили защитные свойства после 39 дней в солевом растворе, а расчетная скорость коррозии снизилась в 600 раз. Статья опубликована в журнале Small Science.