Números aleatórios gerados por quântica estabelecem novo padrão de precisão

• Os cientistas geram números aleatórios absolutos usando a mecânica quântica. 
• A técnica envolve a criação de bits digitais com partículas de luz, fótons.
• Poderia eventualmente melhorar os sistemas criptográficos e de segurança. 

Cientistas do NIST (Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia) construíram uma nova técnica para gerar um número aleatório mais precioso usando a mecânica quântica. Agora a imprevisibilidade dos números aleatórios supera todos os métodos utilizados anteriormente, potencializando os sistemas criptográficos e de segurança.

Qual é o problema com os sistemas existentes, você perguntou? Bem, eles não geram um número aleatório no sentido absoluto. Um número produzido aleatoriamente pelas fórmulas da máquina ou do software pode ser prejudicado por vários fatores, incluindo fontes previsíveis de ruído. Você pode executar testes estatísticos, mas nenhum teste apenas sobre o resultado pode garantir que o resultado foi imprevisível.

Números aleatórios são usados bilhões de vezes diariamente para criptografar informações privadas em redes eletrônicas. Mas como ninguém pode garantir que a fonte convencional seja realmente imprevisível, ela limita a força dos sistemas de segurança. É algo como jogar uma moeda:parece aleatório, mas podemos dizer o resultado se traçarmos o caminho da moeda enquanto ela cai.

No entanto, o novo método depende de fonte e protocolo quânticos. E os pesquisadores têm certeza de que ninguém pode prever os resultados baseados em quantum. Somente uma máquina quântica poderia gerar correlações estatísticas entre resultados e opções de medição.

Como funciona?

A nova técnica envolve a criação de bits digitais (0s e 1s) com partículas de luz, os fótons. Baseia-se na experiência anterior do NIST “a acção assustadora à distância é real” que apoiou fortemente uma previsão chave da mecânica quântica. O novo trabalho, no entanto, produz uma série de bits aleatórios muito mais reais.

Mais especificamente, a geração de aleatoriedade utiliza um teste de Bell “livre de lacunas”, caracterizado pela separação semelhante ao espaço e eficiência de detecção das estações de medição durante ensaios experimentais.

Desigualdades do sino 

A próxima coisa a entender é o teste de Bell, no qual as medições são feitas em um sistema emaranhado com módulos colocados em duas estações de medição separadas. Uma escolha é feita em cada estação (entre um dos dois tipos de medição).

Se os dados de medição violarem certos cenários chamados “desigualdades de Bell” após vários ensaios, então os dados são certificados como tendo aleatoriedade sob suposições fracas.

Todos os bits são imprevisíveis, assumindo dois pontos-chave –

1. As configurações de medição são independentes dos dispositivos e dos dados clássicos existentes sobre eles.
2. Em cada ensaio experimental, os resultados de medição em cada estação são independentes das configurações da outra estação.

O primeiro não é testável, mas como é possível selecionar configurações de medição de forma independente, ele é frequentemente invocado na interpretação de diversas leis da física e de experimentos científicos. O segundo ponto só pode ser violado se os sinais puderem ser transferidos mais rapidamente que a velocidade da luz.

Referência:Natureza | doi:10.1038/s41586-018-0019-0 | NIST

Gerando número aleatório 

O processo de geração de números aleatórios pode ser dividido em duas etapas – geração de strings longas e extração.

Primeiro, os pesquisadores usaram um experimento de ação assustador para criar uma longa sequência de bits por meio de um teste de Bell. Eles calcularam correlações entre as propriedades dos pares de fótons. O fator tempo garante que as correlações não possam ser demonstradas por processos tradicionais, como cenários existentes ou troca de dados a uma velocidade inferior à da luz.

A mecânica quântica foi verificada por meio de testes estatísticos, e essas informações permitiram aos cientistas quantificar a aleatoriedade na longa cadeia.

Crédito da imagem:Shalm/NIST

Como você pode ver na configuração experimental, um feixe de laser atinge um cristal único e é convertido em pares de fótons que estão emaranhados. Os fótons são posteriormente computados para gerar uma sequência de números aleatórios absolutos. 

No entanto, a aleatoriedade não pôde ser espalhada adequadamente por toda a string. Por exemplo, quase todos os bits podem ser 1, com nenhum ou muito poucos sendo 0. Para obter uma string pequena e uniforme com aleatoriedade real (na qual cada bit tem 0,5 probabilidade de ser 1 ou 0), os pesquisadores realizam a segunda etapa – extração.

Eles projetaram um software especial para transformar os dados do teste Bell em uma sequência menor e uniforme.

O método geral requer 2 strings independentes (contendo bits aleatórios, gerados através de métodos tradicionais) para escolher configurações de medição para testes de Bell e para alimentar o software, que extrai a aleatoriedade dos dados iniciais.

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Eles reuniram um total de 5 conjuntos de dados, com o melhor produzindo 1.024 bits aleatórios distribuídos uniformemente entre 10 e 12, ou seja, 1 trilionésimo de 1%.

Até o momento, este é o melhor método para gerar aleatoriedade fisicamente, aumentando assim a segurança e uma ampla gama de aplicações.