Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un método para generar números que la mecánica cuántica garantiza que son aleatorios. Descrito en la edición del 12 de abril de Naturaleza , la técnica experimental supera todos los métodos anteriores para garantizar la imprevisibilidad de sus números aleatorios y puede mejorar la seguridad y la confianza en los sistemas criptográficos.

El nuevo método NIST genera bits digitales (1 y 0) con fotones, o partículas de luz, utilizando datos generados en una versión mejorada de un experimento de física del NIST de 2015. Ese experimento demostró de manera concluyente que lo que Einstein ridiculizó como "acción espeluznante a distancia" es real. En el nuevo trabajo los investigadores procesan la salida espeluznante para certificar y cuantificar la aleatoriedad disponible en los datos y generar una cadena de bits mucho más aleatorios.

Los números aleatorios se utilizan cientos de miles de millones de veces al día para cifrar datos en redes electrónicas. Pero estos números no son aleatorios de manera certificable en un sentido absoluto. Esto se debe a que se generan mediante fórmulas de software o dispositivos físicos cuya salida supuestamente aleatoria podría verse socavada por factores como fuentes predecibles de ruido. Ejecutar pruebas estadísticas puede ayudar, pero ninguna prueba estadística en la salida por sí sola puede garantizar absolutamente que la salida fue impredecible, especialmente si un adversario ha manipulado el dispositivo.

"Es difícil garantizar que una fuente clásica determinada sea realmente impredecible, "Peter Bierhorst, matemático del NIST, dijo." Nuestra fuente cuántica y nuestro protocolo son como un sistema a prueba de fallas. Estamos seguros de que nadie puede predecir nuestros números ".

"Algo como un lanzamiento de moneda puede parecer aleatorio, pero su resultado podría predecirse si se pudiera ver la trayectoria exacta de la moneda mientras cae. Aleatoriedad cuántica, por otra parte, es la verdadera aleatoriedad. Estamos muy seguros de que estamos viendo aleatoriedad cuántica porque solo un sistema cuántico podría producir estas correlaciones estadísticas entre nuestras opciones de medición y los resultados ".

El nuevo método cuántico es parte de un esfuerzo continuo para mejorar la baliza pública de aleatoriedad del NIST, que transmite bits aleatorios para aplicaciones como el cálculo seguro de varias partes. La baliza NIST actualmente se basa en fuentes comerciales.

La mecánica cuántica proporciona una fuente superior de aleatoriedad porque las mediciones de algunas partículas cuánticas (aquellas en una "superposición" de 0 y 1 al mismo tiempo) tienen resultados fundamentalmente impredecibles. Los investigadores pueden medir fácilmente un sistema cuántico. Pero es difícil demostrar que las mediciones se están realizando a partir de un sistema cuántico y no de un sistema clásico disfrazado.

En el experimento de NIST, esa prueba proviene de la observación de las espeluznantes correlaciones cuánticas entre pares de fotones distantes mientras se cierran las "lagunas" que de otro modo podrían permitir que los bits no aleatorios parezcan aleatorios. Por ejemplo, las dos estaciones de medición están colocadas demasiado separadas para permitir comunicaciones ocultas entre ellas; según las leyes de la física, dichos intercambios se limitarían a la velocidad de la luz.

Los números aleatorios se generan en dos pasos. Primero, el experimento de acción espeluznante genera una larga serie de bits a través de una "prueba de Bell, "en el que los investigadores miden las correlaciones entre las propiedades de los pares de fotones. La sincronización de las mediciones asegura que las correlaciones no puedan explicarse por procesos clásicos como condiciones preexistentes o intercambios de información en, o más lento que, la velocidad de la luz. Las pruebas estadísticas de las correlaciones demuestran que la mecánica cuántica está en funcionamiento, y estos datos permiten a los investigadores cuantificar la cantidad de aleatoriedad presente en la larga cadena de bits.

Esa aleatoriedad puede extenderse muy poco a lo largo de la larga cadena de bits. Por ejemplo, casi todos los bits pueden ser 0 y solo unos pocos son 1. Para obtener un corto, Cadena uniforme con aleatoriedad concentrada, de modo que cada bit tiene una probabilidad del 50/50 de ser 0 o 1, se realiza un segundo paso llamado "extracción". Los investigadores del NIST desarrollaron software para procesar los datos de prueba de Bell en una cadena más corta de bits que son casi uniformes; es decir, con 0 y 1 igualmente probables. El proceso completo requiere la entrada de dos cadenas independientes de bits aleatorios para seleccionar los ajustes de medición para las pruebas de Bell y "sembrar" el software para ayudar a extraer la aleatoriedad de los datos originales. Los investigadores del NIST utilizaron un generador de números aleatorios convencional para generar estas cadenas de entrada.

Desde 55, 110, 210 ensayos de la prueba de Bell, cada uno de los cuales produce dos bits, los investigadores extrajeron 1, 024 bits certificados para ser uniformes dentro de una billonésima parte del 1 por ciento.

"Un lanzamiento de moneda perfecto sería uniforme, y hicimos 1, 024 bits casi perfectamente uniformes, cada uno extremadamente cercano a igualmente probable de ser 0 o 1, "Dijo Bierhorst.

Otros investigadores han utilizado previamente las pruebas de Bell para generar números aleatorios, pero el método NIST es el primero en utilizar una prueba de Bell sin escapatorias y en procesar los datos resultantes mediante extracción. Los extractores y las semillas ya se utilizan en los generadores de números aleatorios clásicos; De hecho, Las semillas aleatorias son esenciales en la seguridad informática y se pueden utilizar como claves de cifrado.

En el nuevo método NIST, se certifica que los números finales son aleatorios incluso si la configuración de la medición y la semilla se conocen públicamente; el único requisito es que el experimento de prueba de Bell esté físicamente aislado de los clientes y los piratas informáticos. "La idea es sacar algo mejor (aleatoriedad privada) que lo que pones (aleatoriedad pública), "Dijo Bierhorst.