КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ СЛУЧАЙНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье автор пытается проанализировать актуальность и востребованность квантовых генераторов случайных последовательностей.

Ключевые слова: генератор; случайность; кубит; квант.

Основу физического описания нашего мира составляют законы квантовой физики. С точки зрения поисков надежных источников энтропии важнейшей особенностью квантовых процессов является не вполне детерминированное математическое описание движения частиц. Случайность внутренне присуща квантовым процессам, которые естественно рассматривать как хороший источник случайных чисел.

Действительно, все рассмотренные выше системы, используемые как ГСП, подчиняются законам классической физики. Случайность их поведения вызвана лишь неопределенностью начальных состояний, что теоретически делает эти системы предсказуемыми. Поэтому только генераторы, работающие на квантовых принципах, можно строго обоснованно считать производящими истинно случайные значения.

Квантовыми генераторами принято называть такие устройства, которые используют один действительно случайный квантовый эффект, который возможно воспроизводить многократно для получения случайных значений таким образом, чтобы перед каждым измерением система возвращалась к тем же начальным условиям. Важно отметить, что при одинаковых начальных значениях и одном и том же способе измерения в соответствии с принципами квантовой физики будут получены различные результаты.

Приведем основные сведения для объяснения принципов работы квантовых генераторов. Базовым понятием является кубит (qubit), квантовый аналог обычного бита. Кубит определяют как квантовую систему, которая может находиться в двух состояниях: 0 и 1. В области элементарных частиц пример такой системы – электрон (имеет два возможных направления спина) или фотон (две 22 возможные поляризации). Идея квантовых вычислений основана на таких эффектах квантовой механики, как квантовая суперпозиция и квантовый параллелизм, и использовании квантовых систем из двухуровневых квантовых элементов (кубитов). Система из L кубитов имеет   линейно независимых состояний и может выполнять параллельно операций. В рамках квантовой теории поля можно доказать, что при измерении состояния кубита его можно обнаружить в одном из двух указанных возможных состояний, а это означает, что из кубита можно извлечь один бит информации.

В квантовых генераторах случайных чисел часто используются фотоны, т.к. их легко создавать, обнаруживать и манипулировать ими.

В качестве иллюстрации можно привести схему ГСП, основанного на прохождении фотона, имеющего круговую поляризацию, через светоделительную пластину (рис. 1). Такая система с равной вероятностью обеспечивает выход фотона как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. При неизменной системе и ее начальном состоянии результат каждый раз может быть иным, т.е. является случайным.

Рисунок 1. Схема квантового ГСП, основанного на прохождении фотона с круговой поляризацией

Следует также добавить, что качество квантовых ГСП не снижается из-за существующих недостатков, таких, как неидеальная поляризация, многофазное излучение, время простоя детектора и т.д. Это объясняется тем, что вносимые ими отклонения могут измеряться и оцениваться независимо от процесса генерации случайных значений.

Основная проблема практической реализации генераторов случайных чисел, базирующихся на расщеплении пучка света, состоит в том, что для этого требуются два детектора. Их изначальные различия и последующий выход из строя из-за старения или температурных эффектов оказывают непосредственное влияние на качество сгенерированных случайных чисел.

Например, если эффективность детектирования фотонов датчиками не совсем одинакова, или если светоделительная пластина не идеально делит пучок 23 на две равные части, то при использовании такого генератора вероятность появления единиц не будет равна вероятности появления нулей. Эту проблему можно свести к минимуму с помощью схемы расщепления пучка, в которой используется только один фотонный детектор, но при этом коэффициент расщепления пучка должен быть точно отрегулирован механически.

Другие проблемы возникают из-за времени простоя детектора и последующего импульса, что приводит к корреляциям, которые невозможно полностью устранить, но которые могут быть уменьшены ниже любого желаемого (допустимого) уровня путем применения целевой постобработки.

Генераторы случайных чисел, основанные на светоделителях, являются примером так называемого «пространственного принципа», в котором значение, принимаемое случайным битом (0 или 1), определяется местом, в котором фотон заканчивается. Дополняющий его «временной принцип» использует информацию о времени выбросов случайных фотонов, например, в прямой квантовой (или атомной) релаксации, от хорошо насыщенных лазеров и т.д.

Список литературы:

1. Будько М.Б., Будько М.Ю., Гирик А.В., Грозов В.А. Методы генерации и тестирования случайных последовательностей – СПб: Университет ИТМО, 2019. – 70 с.