NIST的新量子方法產(chǎn)生真正的隨機(jī)數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種方法，用于通過量子力學(xué)生成保證隨機(jī)的數(shù)字。在4月12日出版的“ 自然”雜志中， 實(shí)驗(yàn)技術(shù)超越了所有以前的方法，以確保其隨機(jī)數(shù)的不可預(yù)測性，并可能增強(qiáng)加密系統(tǒng)的安全性和信任度。

新的NIST方法使用在具有里程碑意義的2015年NIST物理實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)版本中生成的數(shù)據(jù)，生成具有光子或光粒子的數(shù)字位(1和0)。那個實(shí)驗(yàn)最終表明，愛因斯坦嘲笑“遠(yuǎn)距離的幽靈行動”是真實(shí)的。在新的工作中，研究人員處理怪異的輸出，以證明和量化數(shù)據(jù)中可用的隨機(jī)性，并生成一串更多的隨機(jī)位。

每天數(shù)百億次使用隨機(jī)數(shù)來加密電子網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)。但這些數(shù)字并不certifiably絕對意義上的隨機(jī)。這是因?yàn)樗鼈兪怯绍浖交蛭锢碓O(shè)備生成的，其隨機(jī)輸出可能被可預(yù)測的噪聲源等因素破壞。運(yùn)行統(tǒng)計(jì)測試可能有所幫助，但是單獨(dú)對輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測試絕對不能保證輸出不可預(yù)測，特別是如果對手篡改了設(shè)備。

新的基于量子的方法是增強(qiáng)NIST公共隨機(jī)信標(biāo)的持續(xù)努力的一部分，該信標(biāo)為安全多方計(jì)算等應(yīng)用廣播隨機(jī)比特。NIST信標(biāo)目前依賴商業(yè)來源。

量子力學(xué)提供了一種優(yōu)越的隨機(jī)性來源，因?yàn)橐恍┝孔恿Ｗ?同時在“0和1”的“疊加”中)的測量具有根本上不可預(yù)測的結(jié)果。研究人員可以輕松測量量子系統(tǒng)。但是很難證明測量是由量子系統(tǒng)而不是偽裝的經(jīng)典系統(tǒng)。

在NIST的實(shí)驗(yàn)中，證據(jù)來自于觀察遠(yuǎn)距離光子對之間的幽靈量子相關(guān)性，同時關(guān)閉可能允許非隨機(jī)位看起來是隨機(jī)的“漏洞”。例如，兩個測量站的距離太遠(yuǎn)，不允許它們之間隱藏通信; 根據(jù)物理定律，任何此類交換都將限于光速。

隨機(jī)數(shù)分兩步生成。首先，幽靈動作實(shí)驗(yàn)通過“貝爾測試”生成一長串比特，其中研究人員測量光子對的屬性之間的相關(guān)性。測量的時間確保了相關(guān)性不能通過經(jīng)典過程來解釋，例如預(yù)先存在的條件或在光速下或者比光速慢的信息交換。相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)測試表明量子力學(xué)正在起作用，這些數(shù)據(jù)允許研究人員量化長串位中存在的隨機(jī)性量。

在整個長串位中，該隨機(jī)性可以非常薄。例如，幾乎每一位都可能為0，只有少數(shù)為1.為了獲得具有集中隨機(jī)性的短而均勻的字符串，使得每個位具有50或50的機(jī)會為0或1，稱為“提取”的第二步是執(zhí)行。NIST的研究人員開發(fā)了一種軟件，用于將貝爾測試數(shù)據(jù)處理成幾乎均勻的較短的比特串; 也就是說，0和1同樣可能。完整過程需要輸入兩個獨(dú)立的隨機(jī)位串來選擇貝??爾測試的測量設(shè)置，并“播種”軟件以幫助從原始數(shù)據(jù)中提取隨機(jī)性。NIST的研究人員使用傳統(tǒng)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器來生成這些輸入字符串。

從Bell測試的55,110,210次試驗(yàn)中，每次測試產(chǎn)生兩位，研究人員提取了1,024位經(jīng)過認(rèn)證的均勻化，在1%的萬億分之一內(nèi)。

其他研究人員以前使用Bell測試生成隨機(jī)數(shù)，但NIST方法是第一個使用無漏洞Bell測試并通過提取處理結(jié)果數(shù)據(jù)的方法。提取器和種子已經(jīng)用于經(jīng)典的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器; 實(shí)際上，隨機(jī)種子在計(jì)算機(jī)安全性中是必不可少的，并且可以用作加密密鑰。

在新的NIST方法中，即使測量設(shè)置和種子是公知的，最終的數(shù)字也被證明是隨機(jī)的; 唯一的要求是貝爾測試實(shí)驗(yàn)與客戶和黑客實(shí)際隔離。

“這個想法是你得到更好的東西(私人隨機(jī)性)而不是你投入的(公共隨機(jī)性)，”Bierhorst說。