Qubits und Bell-Test Forscher erzeugen erstmals „perfekte“ Zufallszahlen

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Forschende der ETH Zürich haben ein Quantenexperiment vorgestellt, mit dem sich nach eigenen Angaben perfekte und zertifizierbare Zufallszahlen erzeugen lassen.

Hintergrund ist ein praktisches Problem vieler Zufallsgeneratoren: Sie liefern zwar für die meisten Anwendungen ausreichend gute Werte, sind aber nicht vollständig frei von systematischen Abweichungen. In sicherheitskritischen Anwendungen wie der Kryptografie können solche Verzerrungen relevant sein, weil Verschlüsselungsverfahren auf möglichst unvorhersagbaren Zufallszahlen beruhen.

„Es mag seltsam erscheinen, aber eine perfekte Münze oder einen perfekten Würfel herzustellen, ist praktisch unmöglich“, sagt Renner. Egal, wie symmetrisch und glatt ein Würfel gemacht wurde, eine seiner sechs Flächen wird nach einem Wurf immer etwas häufiger nach oben zeigen. „Selbst moderne Zufallsgeneratoren, die auf quantenmechanischen Effekten wie der Reflektion von Photonen an Strahlteilern beruhen, sind vor einem solchen systematischen Fehler oder bias nicht ganz gefeit“, ergänzt Wallraff. Doch nun haben Wallraff, Renner und ihre Teams einen Weg gefunden, aus nicht-perfektem Zufall doch noch perfekte Zufallszahlen zu erzeugen. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature veröffentlicht.

Zufallsverstärkung mit Bell-Test

Die ETH-Forschenden bezeichnen ihre Methode als Zufallsverstärkung. Dabei wird zunächst ein nicht perfekter Zufallsgenerator genutzt, um Messungen in einem Quantenexperiment festzulegen. Aus den Messergebnissen wird anschließend mit einem speziellen Algorithmus eine stärker zufällige Bitfolge abgeleitet.

Grundlage des Experiments ist ein verbesserter Bell-Test mit hoher Messqualität und hoher Datenrate. Solche Tests prüfen quantenmechanische Korrelationen zwischen verschränkten Systemen und können unter geeigneten Bedingungen Aussagen darüber erlauben, ob die gemessenen Ergebnisse nicht durch klassische Informationsübertragung erklärbar sind.

Der Aufbau besteht aus zwei supraleitenden Chips, die nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Jeder Chip bildet ein Qubit, das die Zustände 0 und 1 sowie Überlagerungen dieser Zustände annehmen kann. Die Chips sind über ein ebenfalls gekühltes, 30 Meter langes Rohr verbunden, durch das Mikrowellenphotonen übertragen werden.

Die räumliche Trennung soll sicherstellen, dass während der Messung keine Information zwischen den Qubits ausgetauscht werden kann, selbst nicht mit Lichtgeschwindigkeit. Die Wahl der jeweiligen Messbasis erfolgte mithilfe eines nicht perfekten Zufallsgenerators. Aus den korrelierten Messergebnissen berechnete das Team anschließend die zertifizierte Zufallsfolge.

Relevanz für sichere digitale Systeme

Nach Angaben der Forschenden lässt sich die daraus erzeugte Folge aus Nullen und Einsen als perfekt zufällig zertifizieren. Entscheidend ist dabei nicht nur die statistische Verteilung der Bits, sondern auch der Nachweis, dass die Zufälligkeit nicht von verborgenen systematischen Einflüssen herrührt.

Langfristig könnte ein solches Verfahren als physikalisch überprüfbare Zufallsquelle für digitale Sicherheitssysteme dienen. Die Forschenden vergleichen die Rolle mit der von Atomuhren in der Zeitmessung: Andere Systeme könnten sich auf eine definierte und überprüfbare Referenz stützen.

Mögliche Anwendungen liegen in der Verschlüsselung sensibler Kommunikation, bei digitalen Identitäten, öffentlichen Zufallsdiensten, Lotterien oder Blockchain-Systemen. Auch für quantensichere Kommunikationsverfahren könnten zertifizierbare Zufallszahlen relevant werden, da die Sicherheit kryptografischer Systeme wesentlich von der Qualität der verwendeten Zufallsquellen abhängt.(sg)

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