Выберите карту, любую карту. Как коварный волшебник, Вселенная уже знает ваш выбор, поскольку законы физики управляют всем, от вашей неврологической проводки до сокращений мышц вашей руки.
Но если вас попросят выбрать частицу из пустого участка пространства, у вас может быть шанс одурачить Вселенную. Потому что там вы найдете невиданную форму случайности, которую инженеры научились использовать в своих поисках действительно непредсказуемого.
Благодаря инновациям, разработанным исследователями из учреждений в Бельгии, Дании и Италии, мы можем выполнить этот поиск в рекордно короткие сроки, извлекая 100 гигабит данных буквально из ничего каждую секунду.
То, что вы обычно считаете случайностью, в лучшем случае является отражением вашего невежества. Без обид. Друг, который «случайно» заходит выпить кофе, со 100-процентной уверенностью знает, что идет к вам домой. Это просто случайно, потому что вы этого не знаете.
Точно так же подбрасывание монеты, бросок игральной кости, приход бури или падение астероида также не являются случайными событиями. Каждое из них управляется сложной сетью побочных эффектов, которые теоретически можно предсказать индивидуально при наличии достаточных знаний.
Чего нельзя сказать о квантовых системах. Подойдите близко к частице, и вы можете узнать ее положение, но ее энергия — это спектр возможностей. Знайте его энергию с абсолютной точностью, и его местонахождение станет непостижимым свойством, разбросанным по всему пространству.
Отбросьте частицу, и само пространство будет подчиняться тем же квантовым законам. Приблизьтесь к пустому участку небытия, присутствующая энергия будет включать в себя возможности, которые теоретически могут генерировать частицы.
Эти «виртуальные» частицы — не просто плод нашего воображения. Они существуют квантовым образом, появляясь и аннигилируя в мерцании, которое мы называем квантовой пеной.
Давно известное влияние на широкий спектр физических явлений, от того, как генерируются лазеры, до того, как химические связи рассеивают свет, нетрудно подключиться к квантовой пене во имя генерации случайных данных. Постоянной проблемой является поиск надежного метода, не требующего большого количества оборудования, которое может замедлить процесс и затруднить его использование в полевых условиях.
Исследователи, стоящие за этим последним достижением, показывают, как устройство, называемое интегрированным сбалансированным гомодинным детектором, дает результаты в несколько раз быстрее, чем другие новые подходы, без большого количества дополнительного багажа.
Обнаружение гомодина измеряет характеристики электрического поля квантового состояния, что удобно для постоянного отслеживания щелчков, потрескивания и хлопков виртуальных частиц.
К сожалению, квантовые состояния имеют разочаровывающую привычку путаться с менее квантовыми характеристиками своего окружения, что делает их менее случайными, чем ваш сосед, снова заглянувший, чтобы одолжить вашу газонокосилку.
Чтобы справиться с этим «шумом» окружающей среды, влияющим на показания их гомодинного детектора, команда интегрировала технологию, которая могла идентифицировать источники потенциальных помех и учитывать их, повышая чувствительность системы к фактическим случайным колебаниям.
В уменьшенном виде конечным результатом является платформа масштаба чипа, способная надежно выдавать случайные числа для всех ваших потребностей в шифровании.
По мере того, как вычислительная мощность растет, а наша потребность скрывать секреты от посторонних глаз становится все более актуальной, надежные средства обеспечения безопасной передачи данных становятся все более важными.
Это означает большие строки кода, которые ни один компьютер не может даже приблизиться к угадыванию.
Конечно, случайные числа полезны в самых разных областях: от обеспечения беспристрастности ваших образцов для исследования до определения того, может ли ваш эльф-маг пятого уровня в Dungeons and Dragons поразить гиганта магической стрелой.
Они могли бы даже сделать для окончательного волшебного трюка.
Это исследование было опубликовано в PRX Квант.
