Generating true random numbers from nothing (Nature Photonics)

Quantum random number generators have the potential to deliver truly random numbers, an important attribute for many applications ranging from simulations over gambling to cryptography. Our random number generator measures the noise of the electric field variables of a vacuum state. This can be realized with a simple homodyne setup (Figure 1). By appropriately post-processing the measured data, truly random numbers which are solely based on quantum noise can be extracted. For more details on the generation of the random numbers please see our letter in Nature Photonics.

Fig. 1: The homodyne-setup to measure the quantum noise of a vacuum state

Fig. 2: Artist's illustration of the continuous variable quantum random number generator. Design by Michael Förtsch

Dansk populært resume:

Kvanteterninger.

Kast en terning og den lander tilfældigt på en af seks mulige flader. Eller er det nu helt tilfældigt? Udfaldet kan rent faktisk forudsiges ved hjælp af almindelig matematiske udregninger hvis blot man kender alle terningens parametre. Dette skyldes at terningen er et klassisk system, der følger almindelig klassisk fysik.   

Benytter man istedet en kvanteterning vil udfaldet af kastet være fuldstændigt tilfældigt. En sådan terning følger en teori, som kaldes kvantemekanikken, og som strider mod al sund fornuft. Den siger, at kvanteterningen samtidig antager værdierne 1, 2, 3, 4, 5 og 6, men at den tilfældigt udvælger en af dem når man kigger på den.

I virkelighedens verden er kvanteterningerne normalt repræsenteret ved bittesmå partikler, eksempelvis atomer, der for eksempel kan befinde sig i to forskellige energitilstande samtidig. Måles energien af atomet, opnås en af de to energiværdier helt tilfældigt. Ingen i denne verden vil kunne forudsige den målte værdi. 

Forskere har i flere år benyttet komplicerede kvantesystemer til at producere tilfældige tal, men nu har forskere på Danmarks Tekniske Universitet og Max Planck instituttet i Erlangen vist at ægte tilfældige tal kan genereres ved at benytte et helt specielt kvantesystem: Ingenting - eller bedre kendt som vakuum-tilstanden. Hele det tomme rum omkring os er fyldt med vakuum tilstande, så kvantesystemet kommer til os helt gratis. Dette ”ingenting” kan kun beskrives med kvantemekanikken og følger det samme tilfældighedsprincip som kvanteterningen. Udfaldet af en måling af vakum-tilstanden er helt tilfældigt, hvorved tilfældige tal kan produceres.

Eksperimentet er simpelt. Det kræver en laserstråle, en stråledeler og to gode fotodetektorer. Laserstrålen deles i stråledeleren hvori den blandes med vakuum tilstanden og danner to nye laserstråler. De sendes mod to fotodetektorer hvor lyset måles. I fotodetektorerne produceres to elektriske strømme, som trækkes fra hinanden. Den resulterende strøm repræsenterer den endelige måling af vakuum tilstanden og indeholder derfor de tilfældige tal i form af forskellige strømværdier.        

Ægte tilfældige tal er vigtige i hverdagen. Når vi overfører penge på internettet afhænger fortroligheden af tilfældige tal. Ægte fortrolighed kan kun sikres gennem produktionen af helt tilfældige tal, hvilket moderne tilfældighedsgeneratorer ikke kan tilbyde. Den nye metode udviklet af det dansk-tyske forskerteam, kan derfor benyttes til at sikre ubetinget fortrolighed ved kommunikation på internettet.            

Arbejdet er netop publiceret i det anerkendte naturvidenskabelige tidsskrift Nature Photonics.

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2010.197.html

Ingenting er altså godt for noget.