Ученые впервые создали «истинно случайное» число

Хотя выражение «это случайно» часто используется для описания непредсказуемых ситуаций, истинная случайность, как в физике, так и в математике, долгое время оставалась неуловимым понятием. Однако группа исследователей в области квантовых вычислений только что сделала важный шаг: впервые они сгенерировали число, которое признано фундаментально случайным.

Работа, опубликованная в журнале Nature, основана на 56-кубитовом квантовом компьютере и может оказать влияние на такие практические области, как кибербезопасность. Сама идея «истинной случайности» выходит далеко за рамки простого подбора числа.

Для физиков то, что мы обычно называем случайностью, часто подчиняется детерминированным физическим или математическим законам. Настоящая проблема заключается в том, чтобы доказать, что число принципиально непредсказуемо. Удостовериться в этом так же сложно, как и сгенерировать само число, поскольку очень трудно гарантировать абсолютную независимость механизма проверки. Именно здесь на помощь приходит концепция «сертифицированной случайности» - понятие, имеющее важные последствия для компьютерной безопасности и целостности процессов принятия решений. Этот инновационный протокол был теоретически обоснован Скоттом Ааронсоном, профессором компьютерных наук Техасского университета в Остине.

Вместе со своим коллегой Ши-Хань Хунгом он разработал теоретическую основу для перехода от абстрактных моделей к конкретным экспериментам, открыв новую эру в квантовых вычислениях. «Когда я впервые предложил свой сертифицированный протокол рандомизации в 2018 году, я не представлял, сколько лет пройдет до экспериментальной демонстрации», — признается Ааронсон в пресс-релизе. «Разработка оригинального протокола и его понимание — это первый шаг к использованию квантовых компьютеров для генерации сертифицированных случайных битов, которые могут быть использованы в реальных криптографических приложениях», — добавляет он.

Успешная экспериментальная демонстрация

В недавнем исследовании ученые из JPMorgan Chase, Quantinuum, Аргоннской и Ок-Риджской национальных лабораторий, а также Техасского университета в Остине, включая профессора Ааронсона, экспериментально продемонстрировали эту концепцию с помощью 56-кубитного квантового компьютера.

Принцип основан на генерации случайных чисел квантовым компьютером с последующей проверкой на обычном суперкомпьютере, чтобы подтвердить их реальную непредсказуемость. Этот прорыв знаменует собой решающий переломный момент в поиске решений проблем, которые не в состоянии решить обычные машины. «Сегодня мы отмечаем веху, которая выводит квантовые вычисления в сферу практического применения», — говорит в пресс-релизе д-р Раджиб Хазра, генеральный директор Quantinuum.

Для генерации случайного числа исследователи использовали метод, известный как «выборка случайной цепи». Используя присущую квантовым системам индетерминистическую природу, этот метод позволяет получить более высокую энтропию, чем та, которая достижима при использовании обычных устройств. Команда реализовала этот процесс на системе Quantinuum H2, основанной на 56 ионных кубитах в ловушке, создав сертифицированные случайные биты.

Эксперимент проходил в два этапа: во-первых, квантовый компьютер решал сложные математические задачи за рекордное время, недоступное традиционным суперкомпьютерам; во-вторых, полученные результаты были подвергнуты строгой сертификации по стандартному протоколу, выполняемому несколькими суперкомпьютерами. В конце эксперимента исследователи продемонстрировали, что подобная степень случайности не может быть воспроизведена обычными системами. Они задействовали суммарную вычислительную мощность в 1,1 эксафлопс - или более миллиона миллиардов операций с плавающей запятой в секунду — для сертификации более 71 313 битов энтропии.

Этот прорыв стал продолжением работы, проведенной в 2023 году компаниями Quantinuum, JPMorgan Chase и Google, которые уже продемонстрировали «квантовое превосходство». Теперь задача состояла в том, чтобы преобразовать эту теоретическую мощь в конкретные приложения — порог, который теперь преодолен. Исследователи также отмечают, что модель H2, благодаря точности своих кубитов и их глобальной связности, позволила в сотни раз увеличить производительность, достигнутую ранее. Такая производительность невозможна при использовании обычных архитектур.

«Эта работа знаменует собой большой шаг вперед для квантовых вычислений: она демонстрирует решение реальной задачи квантовым компьютером, выходящее за рамки возможностей современных суперкомпьютеров», — анализирует Марко Пистойя, руководитель отдела глобальных исследований в области прикладных технологий JPMorgan Chase.

«Разработка сертифицированной случайности демонстрирует как зрелость квантового оборудования, так и его будущий потенциал в области исследований, статистической выборки, цифрового моделирования и криптографии», — заключает он.

https://masterok.livejournal.c...