Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST han desarrollado un método para generar números garantizados como aleatorios por la mecánica cuántica. Descrito en la edición del 12 de abril de Naturaleza , la técnica experimental supera todos los métodos anteriores para garantizar la imprevisibilidad de sus números aleatorios y puede mejorar la seguridad y la confianza en los sistemas criptográficos.
El nuevo método NIST genera bits digitales 1s y 0s con fotones, o partículas de luz, utilizando datos generados en una versión mejorada de un experimento histórico de física del NIST 2015. Ese experimento demostró de manera concluyente que lo que Einstein ridiculizó como "acción espeluznante enuna distancia "es real. En el nuevo trabajo, los investigadores procesan la salida espeluznante para certificar y cuantificar la aleatoriedad disponible en los datos y generar una cadena de bits mucho más aleatorios.
Los números aleatorios se usan cientos de miles de millones de veces al día para encriptar datos en redes electrónicas. Pero estos números no son certificables al azar en un sentido absoluto. Esto se debe a que son generados por fórmulas de software o dispositivos físicos cuya salida supuestamente aleatoria podría ser socavadapor factores tales como fuentes de ruido predecibles. Ejecutar pruebas estadísticas puede ayudar, pero ninguna prueba estadística en la salida por sí sola puede garantizar absolutamente que la salida sea impredecible, especialmente si un adversario ha manipulado el dispositivo.
"Es difícil garantizar que una fuente clásica dada sea realmente impredecible", dijo el matemático del NIST Peter Bierhorst. "Nuestra fuente cuántica y protocolo es como a prueba de fallas. Estamos seguros de que nadie puede predecir nuestros números".
"Algo parecido a un lanzamiento de moneda puede parecer aleatorio, pero su resultado podría predecirse si uno pudiera ver la ruta exacta de la moneda a medida que cae. La aleatoriedad cuántica, por otro lado, es aleatoriedad real. Estamos muy seguros de queestamos viendo aleatoriedad cuántica porque solo un sistema cuántico podría producir estas correlaciones estadísticas entre nuestras elecciones de medición y resultados "
El nuevo método basado en la cuántica es parte de un esfuerzo continuo para mejorar la baliza de aleatoriedad pública del NIST, que transmite bits aleatorios para aplicaciones como el cómputo multipartito seguro. La baliza del NIST actualmente depende de fuentes comerciales.
La mecánica cuántica proporciona una fuente superior de aleatoriedad porque las mediciones de algunas partículas cuánticas aquellas en una "superposición" de 0 y 1 al mismo tiempo tienen resultados fundamentalmente impredecibles. Los investigadores pueden medir fácilmente un sistema cuántico. Pero es difícilprobar que las mediciones se realizan con un sistema cuántico y no con un sistema clásico disfrazado.
En el experimento de NIST, esa prueba proviene de observar las correlaciones cuánticas espeluznantes entre pares de fotones distantes mientras se cierran las "lagunas" que de otra manera podrían permitir que los bits no aleatorios parezcan aleatorios. Por ejemplo, las dos estaciones de medición también están posicionadaslejos para permitir comunicaciones ocultas entre ellos; según las leyes de la física, cualquier intercambio de este tipo se limitaría a la velocidad de la luz.
Los números aleatorios se generan en dos pasos. Primero, el experimento de acción espeluznante genera una larga cadena de bits a través de una "prueba de Bell", en la que los investigadores miden las correlaciones entre las propiedades de los pares de fotones. El momento de las mediciones asegura quelas correlaciones no pueden explicarse por procesos clásicos como condiciones preexistentes o intercambios de información a la velocidad de la luz, o más lenta que ella. Las pruebas estadísticas de las correlaciones demuestran que la mecánica cuántica está en funcionamiento, y estos datos permiten a los investigadores cuantificarla cantidad de aleatoriedad presente en la larga cadena de bits.
Esa aleatoriedad puede extenderse muy delgada a lo largo de la larga cadena de bits. Por ejemplo, casi cada bit puede ser 0 con solo unos pocos siendo 1. Para obtener una cadena corta y uniforme con aleatoriedad concentrada de manera que cada bit tenga un 50 /50 posibilidades de ser 0 o 1, se realiza un segundo paso llamado "extracción". Los investigadores del NIST desarrollaron un software para procesar los datos de prueba de Bell en una cadena más corta de bits que son casi uniformes, es decir, con 0s y 1s igualmente probables.El proceso completo requiere la entrada de dos cadenas independientes de bits aleatorios para seleccionar configuraciones de medición para las pruebas de Bell y para "sembrar" el software para ayudar a extraer la aleatoriedad de los datos originales. Los investigadores del NIST utilizaron un generador de números aleatorios convencional para generar estas cadenas de entrada.
De 55,110,210 pruebas de la prueba de Bell, cada una de las cuales produce dos bits, los investigadores extrajeron 1,024 bits certificados como uniformes dentro de una billonésima parte del 1 por ciento.
"Un lanzamiento de moneda perfecto sería uniforme, e hicimos 1,024 bits casi perfectamente uniformes, cada uno muy cercano a ser igual de 0 o 1", dijo Bierhorst.
Otros investigadores han utilizado previamente las pruebas de Bell para generar números aleatorios, pero el método NIST es el primero en usar una prueba de Bell libre de lagunas y procesar los datos resultantes mediante extracción. Los extractores y las semillas ya se usan en generadores de números aleatorios clásicos;de hecho, las semillas aleatorias son esenciales en la seguridad informática y pueden usarse como claves de cifrado.
En el nuevo método NIST, los números finales se certifican como aleatorios incluso si la configuración de medición y la semilla se conocen públicamente; el único requisito es que el experimento de prueba de Bell esté físicamente aislado de los clientes y los piratas informáticos ". La idea es que usted obtengaalgo mejor aleatoriedad privada que lo que pones aleatoriedad pública ", dijo Bierhorst.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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