Исследователи из США и Великобритании переделали существующие эксперименты по квантовому превосходству на 56-кубитном компьютере Quantinuum, чтобы бросить игральные кости Бога. Результатом стало число настолько случайное, что никакая физика не смогла бы его предсказать.

С ростом угроз в сфере кибербезопасности квантовые технологии приобретают критическую важность для обеспечения безопасности электронной связи. По словам Раджиба Хазры, ученого-компьютерщика, президента и генерального директора Quantinuum, внедрение квантовых вычислений в практическую сферу — это важнейшая веха, которая прочно выводит данную технологию в реальный мир.

Несколько лет назад Скотт Ааронсон и Ши-Хан Хунг, специалисты по информатике из Техасского университета в Остине, разработали метод генерации сертифицированных случайных битов. Этот метод основан на случайной выборке цепей и позволяет проверить, насколько эффективно устройство использует кубиты для проявления квантовых свойств, при этом требуя минимальных классических доработок.

«Когда я впервые предложил свой сертифицированный протокол случайности в 2018 году, я понятия не имел, сколько времени мне придется ждать, чтобы увидеть его экспериментальную демонстрацию, — говорит Ааронсон. — Развитие оригинального протокола и его реализация — это первый шаг к использованию квантовых компьютеров для генерации сертифицированных случайных битов для реальных криптографических приложений».

Когда мы бросаем кубик, выбираем карту или загадываем число от одного до миллиарда, наши действия представляют собой комбинацию бесчисленных правил, каждое из которых в своей основе надежно и предсказуемо, как колебание маятника, говорят исследователи. Даже хаотические явления, такие как завихрение воска в стене лавовых ламп,  в теории предопределены термодинамикой.

Они отмечают, что насколько бы сложной ни казалась эта паутина правил, каждое из них предопределено физикой и оставляет место для шаблонов, которые может использовать достаточно умный компьютер. А это не то, что вам нужно, чтобы ваши шифры было невозможно взломать или чтобы ваш полуэльф-паладин из Dungeons and Dragons имел действительно случайный показатель харизмы.

Квантовая физика играет по другому набору правил, с собственным встроенным генератором случайных чисел, определяющим свойства частицы. Насколько нам известно, поблизости нет никаких скрытых струн, чтобы суперкомпьютер мог бы ловко подстраховаться.

Соединив воедино судьбы 56 «квантовых игральных костей» и используя протокол Ааронсона и Ханга для минимизации вмешательства классической физики, команда заставила устройство Quantinuum решить ряд задач, которые зависели от его процесса случайного выбора.

Чтобы подтвердить, что итоговый результат является случайным, исследователи провели проверку на нескольких суперкомпьютерах. Для этого они применили стандартизированный протокол тестирования, сравнивающий результаты, полученные от квантового сервера, с теоретическими идеалами.

С совокупной производительностью более миллиона триллионов операций в секунду (1,1 экзафлопс) компьютеры дали процессу оценку, которая легко проходит тест на истинную случайность. Этот результат не оставил сомнений в том, что решение не содержало лазеек, которые мог бы найти и раскрыть банк передовых суперкомпьютеров, имея достаточно времени.

Хотя использование квантовой неопределенности для генерации случайных битов не является новым подходом, команда ученых показала, что теперь почти каждый человек в мире сможет принять участие в игре «выбери число». Для этого они использовали квантовый компьютер System Model H2 от компании Quantinuum, доступ к которому получили через интернет.

«Наше применение сертифицированной квантовой случайности не только демонстрирует непревзойденную производительность нашей технологии захваченных ионов, — говорит Хазра, — но и устанавливает новый стандарт обеспечения надежной квантовой безопасности и возможности расширенного моделирования в таких отраслях, как финансы, производство, и т. д.».

Ранее исследователи Китайского университета науки и технологий создали долгоживущее состояние кота Шредингера, стимулируя квантовую метрологию и точные измерения. Этот прорыв открывает новые возможности для квантовых вычислений и фундаментальной физики и значительно повышает чувствительность квантовых метрологических измерений.