Квантовый шум как генератор случайных чисел

В классической физике каждая «случайность» на самом деле детерминирована, и, принципиально, по крайне мере, может быть предсказана – «достаточно лишь решить» соответствующую систему уравнений при заданных начальных условиях. Квантовая механика положила конец столь удобному взгляду на мир и склонила коромысло весов в противоположную сторону – детерминизм начали отрицать в принципе. В конце концов пришли к компромиссному решению: эволюция пси-функции во времени детерминирована, однако сама пси-функция является амплитудой вероятности получения того или иного значения динамической переменной, описывающей систему.

Однако в ряде приложений (например, в криптографии) возникала потребность в случайных числах, которая обычно решалась за счет так называемых генераторов случайных чисел. «Степень случайности» полученных таким образом чисел при возможностях современной вычислительной техники очень высока, но все же последовательность, строго говоря, является псевдослучайной.

Исследователи Института физики света им. Макса Планка в Эрлангене (Бавария) сконструировали устройство, генерирующее истинно случайные числа, которые принципиально не могут быть предсказаны. Исследователи использовали тот факт, что результат измерения в квантовой физике может быть предсказан только с определенной вероятностью (включающей также и значение равное 1).

В качестве квантовых костей ученые использовали флуктуации вакуума. Виртуальные частицы (в данном случае речь идет о фотонах) оставляют след в виде квантового шума, возникающего в экспериментах. Чтобы сделать квантовый шум видимым, ученые прибегли к другому трюку из квантовой механики. Они расщепили мощный лазерный луч на два равных пучка с помощью светоделителя. Светоделитель имеет два входа и два выхода. Один из входов был закрыт, чтобы предотвратить попадание туда луча. Тем не менее, вакуумные флуктуации в этом канале оказывали влияние на два выходящих луча. Они были направлены на детекторы, в которых измерялась интенсивность фотонов. Каждый фотон выбивал электрон, и суммарный электрический ток регистрировался детекторами. «Сухой остаток» после вычитания двух кривых и дал квантовый шум. Его интенсивность является абсолютно случайной.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365