Генерация случайных чисел с использованием истинной квантовой случайности

Первый способ применения очень прост. Мы видели, что нелокальные корреляции возможны только в том случае, если результаты, получаемые Алисой, истинно случайны. Но как мы можем использовать случайность? Нет ничего полезней для информационного общества! Мы все владельцы банковских карт и бесчисленных паролей. Каждой банковской карте присвоен пин-код, который должен оставаться в секрете, а значит, должен быть выбран случайно. Но не так просто создать случайность. Ранее мы обсуждали важность случайных чисел для численного моделирования. Другой пример, получивший сегодня быстрое развитие, – это онлайн-казино. Вытягивая карту или номер, нужно быть уверенным, что это действительно результат случайного выбора. Иначе либо электронное казино жульничает, либо оно использует псевдослучайные числа – и рискует разориться, если какой-нибудь умник определит их последовательность. Таким образом, большие надежды внушает такое прикладное направление, как создание генератора случайных чисел, работающего на истинной квантовой случайности – единственной истинной случайности, известной физике.

Суть прикладной физики в том, чтобы достичь такой степени понимания какого-то аспекта, чтобы можно было упростить схему и сделать ее экономически жизнеспособной. Алиса и Боб с их компьютерами, разделенными достаточным пространственно-подобным интервалом, чтобы исключить их влияние друг на друга даже со скоростью света, но при этом выигрывающие в игру Белла, – это слишком сложный сценарий для коммерческого применения. Если рассматривать Алису отдельно, то мы увидим, что она получает поток фотонов, проходящий через полупрозрачное зеркало, прежде чем попасть на два детектора фотонов. Того факта, что фотоны запутаны и что Боб на своем конце провода нацелен на победу и действует таким же образом, достаточно, чтобы гарантировать истинную случайность в основе результата Алисы, и в итоге нам понадобится только этот результат. Таким образом, достаточно лишь, чтобы Боб был возможен в виртуальном смысле, а для прикладного использования мы можем про него забыть. Как только мы сделали этот шаг, запутанность перестает быть необходимой. Достаточно знать, что фотон Алисы принципиально может быть запутан, но на практике в этом нет надобности. Наконец, вместо одного фотона Алиса может использовать лазер с очень низкой интенсивностью излучения – так, что почти никогда не существует более одного фотона. Такова основа для большинства коммерчески доступных квантовых генераторов случайных чисел.

Рис. 7.1 показывает квантовый генератор случайных чисел, предлагаемый женевской компанией ID Quantique SA[47]. Кто-то может подумать, что он устроен слишком просто. Куда делись нелокальные корреляции? Этот генератор не использует их впрямую, но одна лишь возможность использовать фотоны того же типа, светоделители и детекторы для производства нелокальных корреляций гарантирует, что полученные результаты истинно случайны.

Кто-то может недоверчиво спросить, а откуда уверенность, что мы располагаем тем же типом светоделителей и детекторов, – и он будет совершенно прав. Для того чтобы сделать генератор случайных чисел коммерчески жизнеспособным, нам пришлось принять гипотезу о том, что все устройства надежны. Такое допущение является очень частым, и оно тщательно проверено. Существует элегантный способ обойти эту проблему, но тогда нам придется вернуться к схеме игры Белла и отказаться от всех упрощений, перечисленных выше. Такие эксперименты проводились, но исключительно в лаборатории[48].