Wissenschaftler nutzen Quantenverschränkung zur Erzeugung perfekter Zufallszahlen

Dabei beeinflussen Messungen an einem Qubit ein anderes Qubit instantan über große Distanzen hinweg. Zufallszahlen sind für eine Vielzahl, darunter Verschlüsselung, digitale Identitäten, Lotterien, Blockchain-Systeme und sichere Kommunikationswege.

Selbst moderne Zufallszahlengeneratoren weisen jedoch winzige Verzerrungen auf, bei denen bestimmte Zahlen etwas häufiger auftreten als andere. Für die meisten Anwendungen sind diese Unvollkommenheiten vernachlässigbar.

In der Kryptographie kann aber selbst die geringste Abweichung Schwachstellen schaffen, die Angreifer ausnutzen könnten. „Die Suche nach perfekter Zufälligkeit" mag seltsam klingen, doch es ist nahezu unmöglich, eine perfekte Münze oder einen perfekten Würfel herzustellen", so Renato Renner, Professor am Institut für Physik der ETH Zürich. „Egal wie symmetrisch und glatt ein Würfel gefertigt ist: Nach einem Wurf zeigt immer eine seiner sechs Seiten etwas häufiger nach oben." Die Forscher betonten, dass selbst Quanten-Zufallszahlengeneratoren, die auf Photonen und Strahlteilern basieren, nicht vollständig frei sind.

Um dieses Problem zu beheben, entwickelte

Um dieses Problem zu beheben, entwickelte das Team der ETH Zürich einen Prozess namens „Randomness Amplification". Dieser wandelt unvollkommene Zufälligkeit in zertifizierte perfekte Zufälligkeit um. Das Experiment stützte sich dabei auf einen Bell-Test, eine bekannte Methode der Quantenphysik zur Überprüfung der Verschränkung zwischen Teilchen.

Zur Durchführung nutzten die Forscher zwei Quantenbits, die nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurden und über Mikrowellenphotonen, die zwischen den Chips hin- und herlaufen, verknüpft sind. „Dies wurde durch eine verbesserte sogenannte Bell-Test ermöglicht, der gleichzeitig eine hohe Qualität und eine hohe Datenrate aufweist", erklärte Andreas Wallraff, einer der Hauptforscher des Projekts.

Die 30-Meter-Entfernung zwischen den Quantenbits spielte eine entscheidende Rolle. Nach Angaben der Forscher garantierte dieser Abstand, dass während der Messungen keine Information zwischen den Chips übertragen werden konnte, selbst bei Lichtgeschwindigkeit. Dadurch wurde eine Beeinträchtigung der Zufälligkeit durch Informationsübertragung verhindert.

Technik und Auswirkungen

Die Quantenchips schlossen den entscheidenden Schritt ab. Das Team wählte die Messkonfigurationen absichtlich mit einem unvollkommenen Zufallszahlengenerator aus.

Anschließend wurde ein spezieller Algorithmus angewendet, um die Zufälligkeit der daraus resultierenden Messungen zu verstärken. „Die daraus resultierende Folge nun wirklich perfekt zufällig, und wir können dies sogar zertifizieren", sagte Renner. Er verglich den Erfolg mit dem Überschreiten einer wichtigen technologischen Schwelle.

Die technischen Verbesserungen haben es erstmals ermöglicht, Zufallszahlen zu erzeugen, die für alle Ewigkeit perfekt zufällig bleiben – unabhängig davon, welche analytischen Methoden zur Überprüfung ihrer Zufälligkeit eingesetzt werden.

Was die Studie zeigt

Die Forscher glauben, dass die Technologie langfristig als vertrauenswürdige Quelle für Zufallswerte in sicheren digitalen Systemen dienen könnte, ähnlich wie Atomuhren heute zertifizierte Zeitmessstandards bereitstellen. Die Arbeit könnte zudem zukünftige quantensichere Kommunikationsnetze unterstützen, bei denen eine starke Verschlüsselung stark ängt.

Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.