Los avances recientes en el desarrollo de pruebas Bell experimentales han permitido la implementación de un nuevo tipo de generador de números aleatorios independiente del dispositivo. Notablemente, este nuevo tipo de generadores de números aleatorios se puede realizar con dispositivos cuánticos maliciosos, sin requerir modelos detallados de los dispositivos cuánticos utilizados.

Investigadores de la Universidad de Colorado / NIST Boulder (CU / NIST Boulder) y la NTT Corporation en Japón han desarrollado recientemente un protocolo para la generación de números aleatorios que se puede implementar en una variedad de sistemas cuánticos. Este protocolo, presentado en un artículo publicado en Física de la naturaleza , podría allanar el camino hacia el desarrollo de generadores de números aleatorios más seguros y eficaces.

"Nos ha interesado tratar de comprender cómo utilizar el entrelazamiento cuántico para construir una clase completamente nueva de generadores de números aleatorios que sean, en algún sentido, las fuentes de aleatoriedad más seguras que permite la naturaleza, hasta donde sabemos, "Lynden Krister Shalm, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org.

En sus estudios anteriores, Shalm y sus colegas intentaron aprovechar las propiedades no locales del entrelazamiento cuántico para generar bits aleatorios certificados de forma independiente del dispositivo. La seguridad de su sistema dependía principalmente del hecho de que los piratas informáticos no pueden enviar información más rápido que la velocidad de la luz.

"Nuestro sistema se diferencia de los generadores de números aleatorios habituales, que se basan en un proceso físico (por ejemplo, desintegración radiactiva) o algoritmos matemáticos, "Dijo Shalm.

En contraste con el sistema ideado por Shalm y sus colegas, Los generadores de números aleatorios que se basan en procesos físicos o algoritmos matemáticos necesitan que se cumplan una serie de suposiciones adicionales. Para producir bits aleatorios altamente seguros y certificados mediante entrelazamiento, sin embargo, el sistema ideado por Shalm y sus colegas debe consumir una gran cantidad de aleatoriedad, lo que perjudica significativamente la eficiencia de su sistema.

"Cuando visité CU / NIST Boulder a principios de 2017, Me emocionó saber que el grupo experimental dirigido por Krister ya tenía la capacidad de demostrar la generación de aleatoriedad independiente del dispositivo, "Yanbao Zhang, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "Como tal experimento consume muchos bits aleatorios y genera solo una pequeña cantidad de bits aleatorios certificados de alta calidad, es deseable lograr una expansión de aleatoriedad independiente del dispositivo, donde se generan más bits de salida certificados que los bits de entrada consumidos ".

Shalm, Zhang y sus colegas idearon un método que utiliza una pequeña cantidad de aleatoriedad de semillas para generar más bits aleatorios certificados basados ​​en cuántica que los consumidos por el generador de números aleatorios. Esta es una de las características principales que distingue a su sistema de otros generadores de números aleatorios.

"Es un poco como cómo se puede usar un cristal semilla para hacer crecer una estructura mucho más grande, ", Dijo Shalm." Podemos generar un 24% más de bits aleatorios de los que ingresamos en el sistema ".

En principio, el sistema ideado por Shalm y sus colegas podría ejecutarse de una manera que permitiera a los investigadores expandir infinitamente la aleatoriedad de la semilla de entrada. Para lograr la expansión de la aleatoriedad, el equipo de CU / NIST Boulder y NTT tuvo que llevar sus sistemas experimentales a sus límites actuales, ya que sus requisitos técnicos son increíblemente exigentes.

Para expandir la aleatoriedad de la semilla de entrada en más bits aleatorios certificados de una manera independiente del dispositivo, los investigadores tuvieron que hacer un uso inteligente de estas semillas. Los sistemas suelen lograr esto mediante la ejecución de una prueba especial en partículas enredadas, conocida como "prueba de Bell sin vacíos legales".

"En lugar de ejecutar esta prueba, que consume aleatoriedad, en todos los fotones entrelazados que producimos, 'revisamos' algunos de los fotones al azar para asegurarnos de que el sistema se está comportando como se esperaba, ", Dijo Shalm." Es similar a cómo un inspector de alimentos puede seleccionar solo una muestra pequeña pero aleatoria de tomates para analizar en lugar de analizar cada tomate en un envío entrante. Nuestro protocolo de verificación al azar funciona de manera similar, pero tenemos que tener mucho cuidado para asegurarnos de que el sistema que se va a verificar no sea engañado ".

En el contexto de la analogía del 'tomate' proporcionada por Shalm, si los tomates se amontonaran en cajas con 2 ^k tomates cada uno, Otros protocolos de verificación al azar desarrollados en el pasado requerirían que cada tomate en una caja se seleccionara al azar con una pequeña probabilidad. Por otra parte, el protocolo ideado por Shalm, Zhang y sus colegas solo requerirían que un tomate en una caja se seleccionara uniformemente al azar.

"Para marcar una caja de tomates, el protocolo habitual consume 2 ^k bits aleatorios sesgados, mientras que nuestro protocolo consume solo k bits aleatorios uniformemente, ", Dijo Zhang." En la práctica, Los bits uniformemente aleatorios en lugar de los bits aleatorios sesgados son fácilmente accesibles desde fuentes como la baliza de aleatoriedad del NIST. Por eso, nuestro protocolo de verificación al azar es experimentalmente más amigable ".

El reciente estudio de Shalm, Zhang y sus colegas podrían finalmente permitir la realización experimental de una expansión infinita de aleatoriedad independiente del dispositivo. Es más, este estudio podría ayudar a la comprensión actual de la aleatoriedad de la mecánica cuántica y algunos de sus límites fundamentales.

"Desde un punto de vista más práctico, nuestro experimento es un ejemplo de redes proto-cuánticas donde las partículas entrelazadas se intercambian y operan en condiciones estrictas para realizar tareas que no son posibles con ningún otro sistema cuántico clásico (o local), ", Dijo Shalm." Estas redes cuánticas no locales son fascinantes tanto desde un punto de vista fundamental como práctico ".

En el futuro, el sistema desarrollado por Shalm, Zhang y sus colegas podrían usarse para desarrollar generadores de números aleatorios compactos y altamente seguros. En la actualidad, Los generadores independientes de dispositivos son demasiado complejos para ser implementados en dispositivos compactos o teléfonos inteligentes. Para superar esta limitación, Actualmente, los investigadores están intentando integrar su generador de números aleatorios independiente del dispositivo en balizas públicas de aleatoriedad que emiten bits aleatorios a intervalos periódicos.

"Este uso de nuestro sistema podría servir para cualquier aplicación que requiera una muestra aleatoria de varios recursos, "Shalm dijo." En este contexto, nuestro generador de números aleatorios podría usarse para seleccionar personas para el servicio de jurado, por ayudar a auditar aleatoriamente los sistemas electorales, o incluso para ayudar a delinear distritos electorales de una manera justa y no partidista para combatir el gerrymandering. Usando nuestro sistema, también podríamos dejar que la mecánica cuántica dibuje nuestros distritos de votación en lugar de los políticos ".

Shalm, Zhang y sus colegas fueron de los primeros en darse cuenta de la expansión de la aleatoriedad independiente del dispositivo, un tipo fuerte de expansión de la aleatoriedad que los sistemas clásicos no pueden lograr. En el futuro, su trabajo podría inspirar a otros equipos a crear protocolos similares para generadores de números aleatorios cuánticos regulares.

"Ahora estamos trabajando para convertir nuestro generador de números aleatorios en un servicio completo, ", Dijo Shalm." Me sorprende que podamos tomar algo que tiene su origen en algunos de los primeros debates sobre la naturaleza filosófica de la teoría cuántica y convertirlo en un servicio público seguro ".

El experimento realizado por Shalm, Zhang y sus colegas abarcaron el transcurso de dos semanas. En estas dos semanas los investigadores recopilaron aproximadamente 110 horas de datos. En sus próximos estudios, les gustaría mejorar la eficiencia de su sistema, lo que le permite realizar una expansión aleatoria independiente del dispositivo en unas pocas horas de tiempo de ejecución experimental.

"Además, nuestro análisis de seguridad actual funciona en presencia de un pirata informático clásico que tiene información lateral clásica arbitraria de la aleatoriedad de salida, pero no comparte ningún entrelazamiento con los dispositivos cuánticos utilizados, ", Dijo Zhang." En el futuro, nos gustaría mejorar la seguridad de los bits aleatorios de salida contra el hacker cuántico más poderoso que está completamente enredado con nuestros dispositivos cuánticos ".

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