El generador de números aleatorios cuánticos más rápido del mundo presentado en China

La privacidad es una de las cualidades más valoradas por la sociedad. La capacidad de enviar mensajes privados y realizar transacciones financieras sin temor a ser monitoreados se encuentra en el corazón de muchas actividades gubernamentales, militares y comerciales.

Una tecnología que permite que esto se haga a la perfección es la criptografía cuántica, y requiere una poderosa fuente de números aleatorios.

Pero hay un problema. Los números aleatorios son sorprendentemente difíciles de generar en grandes cantidades. Una de las mejores fuentes es el mundo cuántico, que es fundamentalmente aleatorio. Pero los mejores generadores de números aleatorios cuánticos disponibles comercialmente los producen solo a una velocidad de un millón por segundo, muy por debajo de las muchas decenas de miles de millones por segundo que requieren muchas aplicaciones.

Hoy, eso parece haber cambiado gracias al trabajo de You-Qi Nie en el Laboratorio Nacional de Ciencias Físicas de Hefei en China y algunos amigos que dicen haber construido un generador cuántico de números aleatorios capaz de producir 68 mil millones de ellos por segundo. Dicen que la técnica debería eliminar una barrera importante que impide que los gobiernos, los militares y el resto de nosotros nos beneficiemos de una seguridad perfecta.

Los números aleatorios tienen que ser impredecibles e irreproducibles, y esto descarta generarlos usando procesos algorítmicos ordinarios, que tienden a ser tanto predecibles como reproducibles. Los informáticos saben desde hace mucho tiempo que los programas que afirman producir números aleatorios por lo general no hacen nada por el estilo.

En cambio, los físicos han recurrido a los procesos naturales para producir números aleatorios. Por ejemplo, se cree que la turbulencia es completamente aleatoria, por lo que medir los efectos turbulentos que la atmósfera tiene en un rayo láser es un método para producir números aleatorios, aunque es bastante lento y fácilmente sesgado por factores ambientales.

Es por eso que los físicos prefieren usar procesos cuánticos para generar números aleatorios. Se cree que estos son aleatorios en principio y de naturaleza fundamental, lo cual es importante porque significa que no puede haber algún proceso físico subyacente que pueda introducir previsibilidad.

Los físicos han intentado muchas formas de producir números aleatorios cuánticos. Uno de los más populares es enviar un flujo de fotones a través de un divisor de haz, que los transmite o refleja con una probabilidad del 50 por ciento. El simple hecho de contar los fotones que se reflejan o transmiten produce una secuencia aleatoria de 0 y 1.

Así es exactamente como funciona el único generador de números aleatorios cuánticos disponible comercialmente en el mundo. Pero su velocidad está limitada a aproximadamente un megabit por segundo. Eso es porque los detectores de fotones individuales no pueden contar más rápido que esto.

Recientemente, los físicos han comenzado a jugar con una nueva técnica. Esto surge de las dos formas diferentes en que se generan los fotones dentro de los láseres. El primero es por emisión estimulada, que es un proceso predecible que produce fotones que tienen todos la misma fase. El segundo es la emisión espontánea, un proceso cuántico completamente aleatorio. Estos fotones generalmente se tratan como ruido y, en cualquier caso, se inundan cuando el láser funciona a toda velocidad.

Sin embargo, la emisión espontánea se vuelve significativa cuando el láser opera en su nivel de umbral, antes de que la emisión estimulada realmente se establezca. Si es posible medir estos fotones, entonces puede ser posible explotar su naturaleza aleatoria.

You-Qi y compañía han hecho exactamente eso. Estos muchachos han creado un interferómetro altamente sensible que convierte las fluctuaciones en la fase de los fotones en cambios de intensidad. Eso es importante porque los cambios de intensidad se pueden medir fácilmente usando fotodetectores convencionales que funcionan a tasas mucho más altas que los detectores de fotones individuales.

Eso ha permitido al equipo medir estos cambios aleatorios y digitalizarlos a una velocidad de 80 Gbps. Luego, este flujo de datos debe limpiarse de varias maneras para eliminar cualquier sesgo introducido por el proceso de medición.

Pero después de esto, el equipo aún puede producir números aleatorios a una velocidad de 68 Gbps.

No hay forma de garantizar que cualquier secuencia de números sea perfectamente aleatoria, pero hay un conjunto de pruebas estándar que pueden detectar ciertos tipos de patrones, si están presentes. You-Qi y compañía dicen que sus secuencias de números aleatorios pasan todas estas pruebas con gran éxito.

El resultado final es el generador de números aleatorios cuánticos más rápido jamás producido por cierto margen.

Es un trabajo impresionante que debería preparar el terreno para algunas aplicaciones convencionales que utilizan criptografía cuántica. Nuestra demostración muestra que los generadores de números aleatorios cuánticos de alta velocidad están listos para un uso práctico, dicen You-Qi y compañía. Nuestro generador de números aleatorios cuánticos podría ser un enfoque práctico para algunas aplicaciones específicas, como los sistemas QKD con una frecuencia de reloj de más de 10 GHz.

En otras palabras, es posible que muchas organizaciones que necesitan un sistema práctico que ofrezca confidencialidad garantizada por las leyes de la física cuántica no tengan que esperar mucho más.

Ref: arxiv.org/abs/1506.00720 : Generación de números aleatorios cuánticos de 68 Gbps mediante la medición de fluctuaciones de fase láser

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