Κβαντικοί επεξεργαστές του ETH Zurich παράγουν για πρώτη φορά απόλυτα τυχαίους αριθμούς

Σύνοψη

• Ερευνητές του τμήματος Φυσικής του ETH Zurich (Ελβετία) δημιούργησαν για πρώτη φορά πιστοποιημένα τέλειους τυχαίους αριθμούς.
• Το πείραμα αξιοποιεί δύο υπεραγώγιμους κβαντικούς επεξεργαστές, οι οποίοι συνδέονται μέσω ενός κρυογονικού σωλήνα 30 μέτρων σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.
• Χρησιμοποιείται η κβαντική διεμπλοκή (entanglement) και ένα βελτιωμένο Bell-test για να εξαλειφθούν τα συστηματικά σφάλματα (bias) που παρουσιάζουν οι παραδοσιακές γεννήτριες.
• Η πιστοποιημένη τυχαιότητα αποτρέπει την πρόβλεψη κρυπτογραφικών κλειδιών, θωρακίζοντας τα δίκτυα έναντι προηγμένων κυβερνοεπιθέσεων.

Η δημιουργία ενός συστήματος που παράγει πραγματικά τυχαία δεδομένα αποτελεί έναν από τους πιο σύνθετους γρίφους της σύγχρονης επιστήμης των υπολογιστών. Οι παραδοσιακές γεννήτριες τυχαίων αριθμών —ακόμα και εκείνες που βασίζονται σε φυσικά φαινόμενα— παρουσιάζουν μικρά συστηματικά σφάλματα. Αυτή η απειροελάχιστη προβλεψιμότητα αποτελεί την κερκόπορτα για σύγχρονες κυβερνοεπιθέσεις. Οι ερευνητές του ETH Zurich, με επικεφαλής τους Andreas Wallraff και Renato Renner, έλυσαν οριστικά αυτό το πρόβλημα, αναπτύσσοντας ένα κβαντικό σύστημα ικανό να παράγει πιστοποιημένα τέλειους τυχαίους αριθμούς.

Πώς λειτουργεί η παραγωγή τέλειων τυχαίων αριθμών μέσω κβαντικής φυσικής;

Η παραγωγή τέλειων τυχαίων αριθμών στο ETH Zurich επιτυγχάνεται συνδέοντας δύο υπεραγώγιμους κβαντικούς επεξεργαστές μέσω ενός κρυογονικού σωλήνα 30 μέτρων. Με τη χρήση κβαντικής διεμπλοκής και ενός βελτιωμένου Bell-test, το σύστημα απομονώνει φωτόνια μικροκυμάτων κοντά στο απόλυτο μηδέν, μετατρέποντας ατελή δεδομένα σε απόλυτα απρόβλεπτες ακολουθίες 0 και 1, εξασφαλίζοντας μέγιστη κρυπτογραφική ασφάλεια.

Το πρόβλημα με τις υφιστάμενες γεννήτριες τυχαίων αριθμών

Οι περισσότερες συσκευές IoT, οι εφαρμογές messaging (όπως το WhatsApp) και οι τραπεζικές συναλλαγές βασίζονται σε ψευδοτυχαίους αριθμούς που παράγονται από λογισμικό (PRNGs). Ακόμα και οι γεννήτριες πραγματικών τυχαίων αριθμών (TRNGs), οι οποίες βασίζονται σε κβαντικά φαινόμενα όπως η αντανάκλαση φωτονίων, δεν είναι απολύτως αμερόλπητες. Σύμφωνα με τον Andreas Wallraff, η παραμικρή απόκλιση στη συχνότητα εμφάνισης ενός ψηφίου επιτρέπει σε αλγόριθμους να προβλέψουν το επόμενο, μειώνοντας δραματικά την ισχύ της κρυπτογράφησης. Η νέα μέθοδος ονομάζεται «ενίσχυση τυχαιότητας» (randomness amplification) και αναλαμβάνει να πάρει αυτά τα ατελή δεδομένα, μετατρέποντάς τα σε μαθηματικά τέλεια τυχαιότητα.

Η αρχιτεκτονική του πειράματος: Κρυογονικά qubits και το Bell-Test

Το hardware που απαιτήθηκε για το συγκεκριμένο επίτευγμα ξεφεύγει κατά πολύ από τις δυνατότητες των συμβατικών υπολογιστών. Η ομάδα του τμήματος Φυσικής του ETH Zurich εγκατέστησε δύο υπεραγώγιμα chips, καθένα εκ των οποίων λειτουργεί ως αυτόνομο qubit.

Τα βασικά τεχνικά στοιχεία του συστήματος περιλαμβάνουν:

• Κρυογονική Ψύξη: Οι επεξεργαστές λειτουργούν σε θερμοκρασίες ελάχιστα πάνω από το απόλυτο μηδέν, για την αποτροπή θερμικού θορύβου που θα αλλοίωνε τις μετρήσεις.
• Σύνδεση 30 Μέτρων: Ένας αγωγός μικροκυμάτων διατηρεί τη φυσική απόσταση μεταξύ των δύο chips, εξασφαλίζοντας ότι το ένα δεν μπορεί να ανταλλάξει κλασικές πληροφορίες με το άλλο κατά τη διάρκεια της μέτρησης.
• Κβαντική Διεμπλοκή: Τα φωτόνια μικροκυμάτων δημιουργούν μια κατάσταση διεμπλοκής μεταξύ των δύο qubits. Σύμφωνα με τις αρχές της κβαντομηχανικής, η μέτρηση στο πρώτο qubit επηρεάζει ακαριαία την κατάσταση του δεύτερου.

Μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται Bell-test, το σύστημα αποδεικνύει ότι οι ενδείξεις «0» ή «1» που προκύπτουν, δεν προϋπήρχαν ως μεταβλητές, αλλά δημιουργούνται ακριβώς τη στιγμή της μέτρησης. Ένας ειδικός αλγόριθμος αναλαμβάνει την τελική επεξεργασία, διασφαλίζοντας ότι η παραγόμενη ακολουθία είναι απολύτως απαλλαγμένη από μοτίβα.

Ο καθηγητής Renato Renner υπογραμμίζει πως η πιστοποίηση αυτής της τυχαιότητας έχει μόνιμη ισχύ: οι παραγόμενοι αριθμοί θα παραμείνουν τυχαίοι στο διηνεκές, ανεξάρτητα από την αναλυτική ισχύ των υπολογιστικών συστημάτων του μέλλοντος.

Οι πρακτικές εφαρμογές

Η μετάβαση από το εργαστηριακό περιβάλλον του ETH Zurich στην εμπορική εκμετάλλευση αποτελεί ζήτημα χρόνου.

Με την εφαρμογή των αυστηρών ευρωπαϊκών οδηγιών (όπως η NIS2 και ο κανονισμός DORA), οι τράπεζες, οι πάροχοι ενέργειας και οι κρατικές πλατφόρμες διαχείρισης δεδομένων (όπως το gov.gr) θα κληθούν να θωρακίσουν τις υποδομές τους απέναντι στην απειλή των κβαντικών υπολογιστών, οι οποίοι στο άμεσο μέλλον θα μπορούν να «σπάσουν» την κλασική κρυπτογράφηση RSA.

Η συγκεκριμένη τεχνολογία, μόλις κλιμακωθεί βιομηχανικά, αναμένεται να ενσωματωθεί σε επίπεδο data centers, ενώ οι πάροχοι τηλεπικοινωνιών και cloud υπηρεσιών θα χρειαστεί να αναβαθμίσουν τα πρότυπα παραγωγής των κρυπτογραφικών τους κλειδιών, ενσωματώνοντας hardware-based κβαντικές γεννήτριες (QRNG) προκειμένου να εναρμονιστούν με τις νέες προδιαγραφές. Η πρόσβαση στην τέλεια τυχαιότητα θα αποτελέσει τη βάση για την ασφάλεια των ψηφιακών ταυτοτήτων και την προστασία κρίσιμων κρατικών δεδομένων.