Одним з найскладніших завдань у фізиці є створення справжньої, доведено непередбачуваної випадковості.

Це пов'язано з тим, що неможливо визначити випадковість лише за результатом.

Кубики можуть мати дефекти, які впливають на їх кидок.

Комп'ютерні генератори випадкових чисел зазвичай керуються алгоритмами.

Навіть підкидання монет підпорядковується фізичним силам, які теоретично можуть бути передбачені.

Складність полягає не в тому, щоб генерувати числа, які виглядають випадковими, а в тому, щоб показати, що ніхто не міг передбачити результат — що система не підпорядковується прихованим правилам або упередженням.

Тепер команда фізиків з ETH Zurich в Швейцарії подолала цю проблему, використовуючи одне з найстранніших явищ у квантовій механіці: заплутаність.

"Отримана послідовність нулів і одиниць тепер дійсно ідеально випадкова, і ми навіть можемо це сертифікувати," — говорить фізик Ренато Реннер з ETH Zurich.

Випадковість є критично важливою для сучасної безпеки.

Це основна характеристика, яка робить паролі, коди аутентифікації та ключі шифрування важчими для вгадування.

Це причина, чому генератори паролів створюють рядок безглуздих символів, а не щось на кшталт YourFirstPet123.

Але ставки виходять далеко за межі пароля Flickr до міжнародної безпеки.

Останні приклади вразливостей безпеки включають вразливість PuTTY 2024 року, в якій один з найбільш використовуваних клієнтів SSH мав дефект у генерації випадкових чисел для криптографічних підписів.

І не забувайте про помилку AMD Zen 5 RDSEED 2025 року, в якій інструкція випадкових чисел апаратного забезпечення генерувала передбачувані значення, помилково звітуючи про успіх.

Якщо код не є ідеально випадковим, його легше вгадати.

"Будь-який звичайний електронний пристрій, як телефон або комп'ютер, є повністю детермінованим," — сказав Реннер, "тому насправді дуже важко для комп'ютера або будь-якого іншого електронного пристрою згенерувати випадкове значення."

Щоб знайти рішення цієї проблеми, дослідники звернулися до квантового експерименту, відомого як тест Белла.

Вони створили пару заплутаних квантових бітів, або кубітів, розділених на 30 метрів і охолоджених до температур, близьких до абсолютного нуля.

Заплутані частинки — це ті, які, коли їх вимірюють, показують подібності, які не можуть бути пояснені класичною фізикою.

Вимірювання, проведені на кубітах, виробляли кореляції настільки сильні, що їх не можна було пояснити звичайними прихованими правилами або попередньо запрограмованою поведінкою.

Це досягнення вимагало значних технічних поліпшень як стабільності, так і швидкості експерименту, що дозволило команді провести більше мільярда випробувань тесту Белла за приблизно дев'ять годин.

Попередні квантові генератори випадкових чисел могли виробляти дуже випадкові виходи, але вони все ще покладалися на надійне апаратне забезпечення та ідеально випадкові початкові умови.

Команда ETH Zurich натомість продемонструвала те, що називається підсиленням випадковості, свідомо починаючи з недосконалої випадковості — беручи випадковість, яка може містити тонкі дефекти або упередження, і перетворюючи її на випадковість, яку можна сертифікувати як абсолютно непередбачувану.

"Критично важливо," — пишуть вони у своїй статті, "підсилення випадковості було доведено неможливим чисто класичними засобами."

Результат — це система, здатна генерувати сертифіковану ідеальну випадковість, навіть коли починає з дефектної або недосконалої випадковості.

І вона також є незалежною від пристрою, що означає, що випадковість не залежить від довіри до самого апаратного забезпечення, а від квантової поведінки, спостережуваної в експерименті.

У довгостроковій перспективі дослідники кажуть, що їхня система може виконувати ту ж функцію, яку виконують атомні годинники для вимірювання часу — фізично сертифіковане джерело випадковості, проти якого інші можуть бути виміряні та налаштовані.

"Технічні поліпшення дозволили нам вперше створити випадкові числа, які залишатимуться абсолютно випадковими на всі часи — незалежно від того, які аналітичні методи використовуються для оцінки їх випадковості," — говорить Реннер.

Дослідження було опубліковано в Nature.