Tạo ra con số ngẫu nhiên thực sự bằng bản chất không thể dự đoán của cơ học lượng tử

Một nhóm các nhà nghiên cứu Anh, Đức, Nga đã sử dụng bản chất không thể dự đoán của cơ học lượng tử để tạo ra một thiết bị có khả năng tạo ra những con số ngẫu nhiên thực sự.

Trong nghiên cứu của họ xuất bản trên Physical Review Letters “Certified Quantum Random Numbers from Untrusted Light”, nhóm nghiên cứu này đã miêu tả cách sử dụng các khía cạnh của lý thuyết lượng tử để phát triển một khuôn khổ để xây dựng một bộ sinh số ngẫu nhiên thực sự.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học máy tính đã tìm kiếm cách thức có thể tạo ra các con số ngẫu nhiên đích thực – bộ sinh số ngẫu nhiên được tìm thấy trong phần lớn máy tính ở gia đình hay công sở còn xa mới đạt được độ ngẫu nhiên đó vì nó phụ thuộc vào những giới hạn của phần cứng. Bộ sinh số ngẫu nhiên hết sức quan trọng bởi nó là hình thức cơ bản của mật mã. Thông điệp được mã hóa bằng việc sử dụng các con số không thực sự ngẫu nhiên có thể dẫn đến việc bị phá khóa nếu dùng năng lực tính toán đủ mạnh. Trong nỗ lực này, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm trong thế giới lượng tử để có thể tạo ra một bộ sinh số ngẫu nhiên đích thực.

Không giống như bản chất thế giới xung quanh chúng ta, thế giới lượng tử ẩn chứa sự ngẫu nhiên đích thực –  bản chất không thể dự đoán của hành xử photon, ví dụ như vậy. Trong nỗ lực này, các nhà nghiên cứu tìm ra cách khai thác bản chất này để có thể tạo dựng bộ sinh số ngẫu nhiên thực sự.

Thiết bị do nhóm nghiên cứu quốc tế này thiết kế bao gồm một tia laser được kích hoạt chiếu thẳng vào một trong những đầu vào của một bộ tách chùm tia chung. Một đầu vào khác giữ vùng trống. Điều này dẫn đến kết quả là một tín hiệu zero. Chùm tia thoát ra được đo đạc bằng việc sử dụng hai máy dò độc lập. Trong cách bố trí của họ, mỗi hạt photon tới bộ chia tách chùm tia đều có một cơ hội được truyền hoặc phản xạ, điều đó có nghĩa là sự khác biệt giữa các phép đo đạc của các máy dò có thể không dự đoán được. Bởi vì lẽ đó, các con số sinh ra thực sự là ngẫu nhiên.

Các nhà nghiên cứu sau đó thực hiện một bước công việc khác là đảm bảo cho các trạng thái của proton trước khi chúng được phân tách. Rõ ràng là các con số sinh ra bằng các thiết bị do họ thiết kế thực sự ngẫu nhiên. Kết quả cuối cùng là một thiết bị có năng lực tạo ra các con số ngẫu nhiên với mức 8,05 gigabit mỗi giây, mỗi con số trong đó đều ngẫu nhiên một cách hoàn hảo – tất cả đều trong thời gian thực. Đáng chú ý là thiết bị này được thiết kế bằng việc sử dụng thiết bị  đã được thương mại hóa.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-01-unpredictable-nature-quantum-mechanics-random.html

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.10.041048