Physiker schaffen erstmals "perfekte Zufälligkeit"
Bewusst erzeugte Zufälle sind gar nicht so zufällig, wie man ahnen würde. Moderne Zufallsgeneratoren liefern nie wirklich ideale Zufallszahlen. Schon die kleinsten Fehler im System sorgen dafür, dass manche Zahlen häufiger auftreten als andere. So tritt etwa zu 51 Prozent die Zahl "1" und zu 49 Prozent "0" auf - ein feiner Unterschied, der aber von Hackern oder Algorithmen erkannt und ausgenutzt werden könnte.
Renato Renner und Andreas Wallraff von der ETH Zürich konnten jetzt mithilfe der Quantenphysik tatsächliche Zufallszahlen erzeugen. "Es mag seltsam erscheinen, aber einen perfekten Würfel herzustellen, ist praktisch unmöglich", sagt Renner in einem Statement. Egal wie symmetrisch er sei, eine der 6 Flächen würde immer häufiger nach oben zeigen als die anderen. Von solchen systematischen Fehlern oder "bias" wären auch moderne Zufallsgeneratoren betroffen, die auf quantenmechanischen Effekten beruhen.
Dasselbe Schafbild, verschlüsselt mit herkömmlichen Zufallszahlen (Mitte) und mit den zertifizierten Zufallszahlen der ETH-Forschenden (rechts). Bei perfektem Zufall bleibt nur noch statistisches Rauschen sichtbar.
© ETH Zürich
Quantenverschränkung
Mit ihrer neuen Methode, der "Zufallsverstärkung" haben sie den perfekten Zufall aber geschaffen. Dafür nutzen die Forscher 2 supraleitende Chips, die fast auf den absoluten Nullpunkt gekühlt wurden. Jeder der Chips steht für ein Qubit und kann die Zustände 0 und 1 annehmen. Verbunden sind sie über ein 30 Meter langes Rohr, durch das Mikrowellen-Photonen zwischen den Chips hin- und herfliegen können.
Dadurch werden die Chips verschränkt. Das bedeutet, sie sind so verbunden, dass die Messung eines Chips sofort den Zustand des anderen verrät. Die Entfernung zwischen ihnen garantiert, dass sie tatsächlich verschränkt sind und nicht einfach physisch Informationen miteinander austauschen und das Ergebnis verfälschen. Zudem schützt die Apparatur die Chips vor Umwelteinflüssen. In vorherigen Experimenten gelang das nicht und kleine Fehler, z. B. Störsignale, beeinflussten die Messwerte.
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Quantenverschränkung
Bei der Quantenverschränkung sind 2 Teilchen miteinander verbunden. Man stellt sich vor, es existiert ein Paar Handschuhe und die beiden Testpersonen "Alice" und "Bob" erhalten jeweils ein Paket mit einem Handschuh dieses Paares. Öffnet Alice ihr Paket und sieht, dass sie den linken Handschuh hat, ist es zu 100 Prozent sicher, dass Bob den rechten Handschuh haben muss – egal, ob er sein Paket schon geöffnet hat oder nicht. Ob sich die beiden dafür im gleichen Haus, der gleichen Stadt oder irgendwo auf der Erde befinden, ist ebenfalls egal.
Ähnlich geht es auch den Quantenteilchen. Wenn sie einmal miteinander interagieren - zum Beispiel wenn sie sich berühren - sind sie verschränkt. Statt sie sich als zwei separate Teilchen vorzustellen, sind sie nun ein System, das verbunden bleibt, egal wo sich die Einzelteile befinden. Misst man eines der Teilchen, weiß man aber immer, welchen Zustand das andere Teilchen hat.
Quantenchips korrigieren Zufallsgenerator
Grundlage ihres perfekten Zufalls ist ein nicht-perfekter Zufallsgenerator. Dieser bestimmt, wie die beiden Quantenchips gemessen werden. Dabei ist es egal, dass der Generator nicht perfekt zufällig arbeitet. Die Quantenphysik korrigiert diese Fehler ganz natürlich. Auch wenn der Generator also eine Tendenz hat, eher "1" als "0" zu wählen, wird das Muster durch die quantenmechanische Messung aufgebrochen. Die Chips wählen ihren Zustand erst, sobald sie gemessen werden, und das wirklich zufällig.
Das lässt sich sogar zertifizieren, denn Quantenverschränkung ist ein fragiler Zustand. Einflüsse von außen sorgen sofort dafür, dass sie sich auflöst. Würden die Chips ein mögliches Muster übernehmen, das der Generator vorgibt, würde ihre Quantenverschränkung aufgelöst.
Dass das nicht passiert, zeigt schließlich der sogenannte Bell-Test. Dieser mathematische Nachweis beweist, dass eine Quantenverschränkung vorliegt. Hätte der Generator sein Muster anwenden können, würde dieser Test fehlschlagen. Gelingt er, beweist das die echte, perfekte Zufälligkeit. Der Algorithmus des Forschungsteams kann so aus den Messdaten wirklich zufällige Zahlen herausfiltern. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin nature veröffentlicht.
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Bessere Verschlüsselung
Auch die stärksten kryptographischen Verfahren seien nur so sicher wie ihre Zufallszahlen, schreiben die Forscher. Der perfekte Zufall könnte dabei helfen, sensible Kommunikation und digitale Identitäten sicher zu verschlüsseln. Ein weiterer Anwendungsfall seien öffentliche Zufallsdienste wie Lotterien und Blockchain-Anwendungen.