Для цифрової безпеки випадковість має величезне значення...
Саме випадкові числа лежать в основі шифрування, цифрових ключів, паролів та автентифікації. Проблема в тому, що звичайні генератори випадкових чисел зрештою спираються на алгоритми або фізичні процеси, у яких можуть існувати приховані закономірності.
Група швейцарських фізиків продемонструвала спосіб отримання випадкових чисел, непередбачуваність яких пов’язана з фундаментальними законами квантової фізики.
- Чому звичайна випадковість може бути передбачуваною
На перший погляд, кинути монету чи кубик достатньо, щоб отримати випадковий результат. Проте з точки зору фізики все складніше.
Якби ми знали абсолютно всі параметри кидка монети, зокрема силу удару, швидкість обертання, положення в повітрі та навіть вплив навколишнього середовища, результат теоретично можна було б передбачити.
Навіть сама монета не є ідеально нейтральною. Крихітні нерівності поверхні можуть створювати незначне зміщення на користь одного з результатів.
Схожа проблема існує в комп’ютерах. Програмний генератор випадкових чисел працює за певним алгоритмом. Якщо хтось отримає достатньо інформації про його роботу або початковий стан, послідовність у принципі можна спробувати відтворити.
- Вчені використали квантові чипи
Команда професора Ренато Реннера з ETH Zurich разом із професором Андреасом Вальраффом створила систему з двох надпровідних квантових чипів.
Їх розташували на відстані приблизно 30 метрів один від одного та з’єднали спеціально охолодженою трубкою, через яку передавалися мікрохвильові фотони.
Обидва чипи працювали за температур, близьких до абсолютного нуля. У системі вони виконували роль кубітів, квантових аналогів звичайних бітів.
На відміну від класичного біта, кубіт завдяки суперпозиції може перебувати у квантовій комбінації кількох станів.
- Головний секрет — квантова заплутаність
Дослідники використали явище квантової заплутаності. Стан двох кубітів стає взаємопов’язаним, навіть коли вони перебувають на значній відстані один від одного.
Важливо, що під час експерименту 30 метрів між пристроями допомагали виключити можливість звичайного обміну інформацією між ними в момент вимірювання.
Потім фізики застосували вдосконалену версію тесту Белла. Він дає змогу перевірити, чи можна пояснити отримані кореляції класичними прихованими механізмами.
У цьому випадку результати показали настільки сильні квантові кореляції, що їх не можна пояснити звичайною класичною моделлю.
Саме це стало основою для підсилення випадковості.
- Понад мільярд експериментів
Щоб перевірити систему, команда провела понад один мільярд експериментів протягом дев’яти годин.
Після цього спеціальний алгоритм обробив отримані дані та виділив послідовність чисел із максимально можливою випадковістю.
За словами Ренато Реннера, технічні вдосконалення дали змогу отримати числа, непередбачуваність яких не залежить від того, які методи аналізу можуть застосувати до них у майбутньому.
Чому це важливо для цифрового захисту
- Випадкові числа використовують у багатьох системах, які ми щодня не помічаємо:
- під час створення криптографічних ключів;
- для шифрування даних;
- в автентифікації;
- у захищених мережах;
- у блокчейн-системах.
Якщо генератор випадковості має слабке місце, зловмисник потенційно може використати закономірність для відновлення частини захищаної інформації.
Такі проблеми вже траплялися. Серед прикладів дослідники згадують вразливість у клієнті PuTTY, яку виявили у 2024 році, та помилку в процесорах AMD Zen 5, про яку стало відомо у 2025 році.
Нова система має інший принцип роботи: її надійність пов’язана з перевірюваними властивостями квантової фізики, а не лише з тим, що користувач довіряє певному генератору або його розробникам.
У майбутньому подібне джерело випадковості потенційно можна буде використовувати для державних систем шифрування, захищеного зв’язку, блокчейнів та інших технологій, де непередбачувані числа мають критичне значення.
ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ:
- Мультикоптери 19 століття: французький фантаст передбачив появу промислових дронів?
- Космічна подорож яблуні Ньютона: як легендарне дерево подолало земне тяжіння і опинилося на орбіті?
- 1200-річна таємниця зубів валлабі: археологи знайшли в Австралії незвичайні давні прикраси