Ученые создали в космосе квантовый маяк случайности

Ученые впервые отправили на околоземную орбиту кубсат с квантовым генератором случайных чисел на борту. Они показали, что это устройство работает как орбитальный маяк случайности, который способен отправлять на Землю последовательности истинно случайных чисел. Такие маяки нужны в некоторых криптографических или телекоммуникационных технологиях, но сейчас они доступны лишь через интернет. Разработка авторов поможет обеспечить случайными последовательностями регионы с плохим уровнем связи. Исследование опубликовано в Communications Physics.

Генераторы случайных чисел играют важную роль во множестве сфер деятельности человека, начиная от вычислительных методов и заканчивая телекоммуникацией. Традиционным способом создавать такие последовательности стали псевдослучайные генераторы, работающие на труднопредсказуемых, но детерминированных математических операциях.

Чтобы выйти за эти ограничения, ученые используют случайность самых разнообразных реальных объектов. Чаще всего речь идет о квантовых объектах, случайность поведения которых заложена в законах квантовой механики. Мы также рассказывали, как для этого используют свет далеких звезд, химические реакции и даже много несвязанных друг с другом людей. Подробнее про генерацию случайных последовательностей читайте в материале «По грани вычислимого».

Поскольку для реализации физических генераторов случайных чисел требуется сложное оборудование, ресурс истинной случайности доступен не всем. Тем не менее, в последние годы появляется все больше маяков случайности (randomness beacon) — общедоступных источников случайных строк чисел, к которому может получить доступ любой человек через интернет. Например, такой маяк предоставляет NIST. Однако, зависимость от интернета остается проблемой таких маяков.

Чтобы решить ее Айеша Ризвана (Ayesha Reezwana) из Сингапурского национального университета и ее коллеги из Австралии, Сингапура и Швейцарии запустили квантовый генератор случайных чисел на низкую околоземную орбиту. Для этого они смонтировали генератор в кубсат SpooQy-1 и запустили его с борта МКС.

Фотоны — это наиболее простой и популярный способ инструмент для реализации квантового генератора случайных чисел (КГСЧ). В качестве источника неопределенности может выступать число световых квантов в слабом лазерном луче, проекционное измерение поляризации, интерференция между лазерными импульсами со случайной фазой и даже квантовая запутанность. Выбранная авторами платформа — наноспутник — накладывала много технических ограничений, поэтому они ограничились счетом фотонов.

Схема КГСЧ, использованная в работе, состояла из лазерного источника, нелинейного кристалла, поддерживающего спонтанное параметрическое рассеяние, оптических элементов и лавинных детекторов, сигналы с которых обрабатывал микроконтроллер. Такая схема, как правило, используется для исследования квантовой запутанности. Однако в работе физиков запутанные по поляризации частицы нужны были для борьбы с шумами, а случайность детектирования наследовалась от лазера накачки.

Наклонение орбиты SpooQy-1 составило 51,6 градуса, а орбитальный период — около 90 минут. Сигнал от маяка фиксировали две станции, одна из которых была расположена в Виндише (Швейцария), а вторая — в Сингапуре, суммарно десять раз в день. Радио на борту спутника транслировало случайный сигнал с интервалом 30 секунд, поэтому успевало передавать до 256 битов. Поскольку это недостаточно большой объем данных, чтобы исследовать их случайность стандартными методами, физики измеряли частоту появления определенных битовых последовательностей (то есть провели проверку нормальности по Борелю). По результатам проверки 16896 битов, собранных за 66 сеансов измерения, авторы сделали вывод, что маяк генерирует случайные числа.

Конечно, чтобы быть по-настоящему полезным, орбитальный маяк случайности должен обладать более высокой частотой обновления, чем несколько раз в сутки (например, маяк NIST обновляется каждые 60 секунд), криптографической аутентификацией и строгой привязкой последовательных импульсов. Тем не менее, работа авторов доказывает принципиальную возможность размещения маяков случайности на орбите, что будет полезно для регионов без доступа к интернету.

Проделанное исследование — это не первый пример переноса лабораторного эксперимента в космос. Мы уже рассказывали, как на орбиту отправляли бозе-конденсат, атомные часы и даже гранулированный газ в виде конфет M&M’s.