Avana§os recentes no desenvolvimento de testes Bell experimentais permitiram a implementação de um novo tipo de gerador de números aleata³rios independente de dispositivo. Notavelmente, este novo tipo de geradores de números aleata³rios pode ser realizado com dispositivos qua¢nticos maliciosos, sem exigir modelos detalhados dos dispositivos qua¢nticos usados.

Pesquisadores da Universidade do Colorado / NIST Boulder (CU / NIST Boulder) e da NTT Corporation no Japa£o desenvolveram recentemente um protocolo para geração de números aleata³rios que pode ser implementado em uma variedade de sistemas qua¢nticos. Este protocolo, apresentado em um artigo publicado na Nature Physics , pode abrir caminho para o desenvolvimento de geradores de números aleata³rios mais seguros e eficazes.

"Estamos interessados ​​em tentar entender como usar o emaranhamento qua¢ntico para construir uma classe inteiramente nova de geradores de números aleata³rios que são, em certo sentido, as fontes mais seguras de aleatoriedade que a natureza permite, atéonde sabemos", Lynden Krister Shalm, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse.

Em seus estudos anteriores, Shalm e seus colegas tentaram aproveitar as propriedades não locais do emaranhamento qua¢ntico para gerar bits aleata³rios certificados de uma forma independente de dispositivo. A segurança de seu sistema dependia principalmente do fato de que os hackers não podem enviar informações mais rápido do que a velocidade da luz.

"Nosso sistema difere dos geradores regulares de números aleata³rios, que dependem de um processo fa­sico (por exemplo, decaimento radioativo) ou de algoritmos matema¡ticos", disse Shalm.

Em contraste com o sistema desenvolvido por Shalm e seus colegas, os geradores de números aleata³rios baseados em processos fa­sicos ou algoritmos matema¡ticos precisam de uma sanãrie de suposições extras a serem atendidas. Para produzir bits aleata³rios certificados e altamente seguros usando emaranhamento, no entanto, o sistema desenvolvido por Shalm e seus colegas deve consumir uma grande quantidade de aleatoriedade, o que prejudica significativamente a eficiência de seu sistema.

"Quando visitei o CU / NIST Boulder no ini­cio de 2017, fiquei animado ao saber que o grupo experimental liderado por Krister já tinha a capacidade de demonstrar a geração de aleatoriedade independente do dispositivo", disse Yanbao Zhang, outro pesquisador envolvido no estudo. Phys.org. "Como tal experimento consome muitos bits aleata³rios enquanto gera apenas um pequeno número de bits aleata³rios certificados de alta qualidade, édesejável obter expansão de aleatoriedade independente de dispositivo, onde mais bits de saa­da certificados são gerados do que bits de entrada consumidos."

Shalm, Zhang e seus colegas desenvolveram um manãtodo que utiliza uma pequena quantidade de aleatoriedade de sementes para gerar mais bits aleata³rios certificados baseados em quantum do que aqueles consumidos pelo gerador de números aleata³rios. Este éum dos principais recursos que diferenciam seu sistema de outros geradores de números aleata³rios.

"a‰ um pouco como um cristal de semente pode ser usado para fazer crescer uma estrutura muito maior", disse Shalm. "Somos capazes de produzir 24% mais bits aleata³rios do que inserimos no sistema."

Em princa­pio, o sistema desenvolvido por Shalm e seus colegas poderia ser executado de uma forma que permitiria aos pesquisadores expandir infinitamente a aleatoriedade da semente de entrada. Para alcana§ar a expansão da aleatoriedade, a equipe do CU / NIST Boulder e da NTT teve que levar seus sistemas experimentais aos limites atuais, pois seus requisitos técnicos são incrivelmente exigentes.

Para expandir a aleatoriedade da semente de entrada em mais bits aleata³rios certificados de uma forma independente de dispositivo, os pesquisadores tiveram que fazer um uso inteligente desses bits de semente. Os sistemas normalmente conseguem isso executando um teste especial empartículas emaranhadas, conhecido como 'teste de Bell livre de lacunas'.

"Em vez de executar este teste, que consome aleatoriedade, em todos os fa³tons emaranhados que produzimos, nos'verificamos' alguns dos fa³tons aleatoriamente para ter certeza de que o sistema estãose comportando como esperado", disse Shalm. "a‰ semelhante a como um inspetor de alimentos pode selecionar apenas uma amostra pequena, mas aleata³ria de tomates para teste, em vez de testar cada tomate em uma remessa que chega. Nosso protocolo de verificação local funciona de maneira semelhante, mas temos que tomar muito cuidado para certifique-se de que o sistema a ser verificado não estãosendo enganado. "

No contexto da analogia 'tomate' fornecida por Shalm, se os tomates foram empilhados em caixas contendo 2 k tomates cada, outros protocolos de verificação local desenvolvidos no passado exigiria cada tomate em uma caixa a ser seleccionada aleatoriamente com uma pequena probabilidade. Por outro lado, o protocolo desenvolvido por Shalm, Zhang e seus colegas exigiria que apenas um tomate em uma caixa fosse selecionado uniformemente ao acaso.

"Para marcar uma caixa de tomates, o protocolo usual consome 2 k bits aleata³rios enviesados, enquanto o nosso protocolo consome apenas k bits uniformemente aleata³rios", disse Zhang. "Na prática , bits uniformemente aleata³rios, em vez de bits aleata³rios tendenciosos, são facilmente acessa­veis de fontes como o sinalizador de aleatoriedade do NIST. Portanto, nosso protocolo de verificação pontual éexperimentalmente mais amiga¡vel."

O estudo recente de Shalm, Zhang e seus colegas pode, em última análise, permitir a realização experimental da expansão infinita da aleatoriedade independente de dispositivo. Além disso, este estudo pode auxiliar no entendimento atual da aleatoriedade da meca¢nica qua¢ntica e alguns de seus limites fundamentais.

"De um ponto de vista mais prático, nosso experimento éum exemplo de redes proto-qua¢nticas ondepartículas emaranhadas são trocadas e operadas sob condições rigorosas para realizar tarefas que não são possa­veis por qualquer outro sistema qua¢ntico cla¡ssico (ou local)", Shalm disse. "Essas redes qua¢nticas não locais são fascinantes tanto do ponto de vista ba¡sico quanto prático."

No futuro, o sistema desenvolvido por Shalm, Zhang e seus colegas poderia ser usado para desenvolver geradores de números aleata³rios compactos e altamente seguros. Atualmente, geradores independentes de dispositivo são muito complexos para serem implementados em dispositivos compactos ou smartphones. Para superar essa limitação, os pesquisadores estãoatualmente tentando integrar seu gerador de número aleata³rio independente de dispositivo em beacons de aleatoriedade paºblicos que emitem bits aleata³rios em intervalos peria³dicos.

"Esse uso de nosso sistema pode servir a qualquer aplicativo que requeira uma amostra aleata³ria de vários recursos", disse Shalm. "Nesse contexto, nosso gerador de números aleata³rios poderia ser usado para selecionar pessoas para o dever de jaºri, para ajudar a auditar aleatoriamente os sistemas eleitorais ou mesmo para ajudar a definir distritos eleitorais de maneira justa e não partida¡ria para combater a gerrymandering. Usando nosso sistema , também podera­amos deixar a meca¢nica qua¢ntica desenhar nossos distritos eleitorais em vez de pola­ticos. "

Shalm, Zhang e seus colegas foram os primeiros a realizar a expansão da aleatoriedade independente de dispositivo, um tipo forte de expansão da aleatoriedade que os sistemas cla¡ssicos não podem alcana§ar. No futuro, seu trabalho pode inspirar outras equipes a criar protocolos semelhantes para geradores de números aleata³rios qua¢nticos regulares.

"Agora estamos trabalhando para transformar nosso gerador de números aleata³rios em um serviço completo", disse Shalm. "a‰ incra­vel para mim que possamos pegar algo que tem suas origens em alguns dos primeiros debates sobre a natureza filosãofica da teoria qua¢ntica e transforma¡-lo em um serviço paºblico seguro."

O experimento realizado por Shalm, Zhang e seus colegas durou duas semanas. Nessas duas semanas, os pesquisadores coletaram aproximadamente 110 horas de dados. Em seus pra³ximos estudos, eles gostariam de melhorar a eficiência de seu sistema, permitindo que ele realizasse a expansão da aleatoriedade independente do dispositivo dentro de algumas horas de execução experimental.

"Além disso, nossa análise de segurança atual funciona na presença de um hacker cla¡ssico que mantanãm informações secunda¡rias cla¡ssicas arbitra¡rias da aleatoriedade de saa­da, mas não compartilha nenhum emaranhamento com os dispositivos qua¢nticos usados", disse Zhang. "No futuro, gostara­amos de aumentar a segurança dos bits aleata³rios de saa­da contra o hacker qua¢ntico mais poderoso que estãototalmente emaranhado com nossos dispositivos qua¢nticos."