Квантовый прорыв: впервые сгенерированы настоящие случайные числа

Ученым впервые удалось сгенерировать настоящие случайные числа с помощью 56-кубитного квантового компьютера.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые из JPMorganChase, Quantinuum, Аргоннской национальной лаборатории, Окриджской национальной лаборатории и Техасского университета в Остине, используя 56-кубитный квантовый компьютер, впервые продемонстрировали сертифицированную случайность. Имеется в виду генерация квантовым компьютером случайных чисел и использование классического суперкомпьютера для проверки настоящей случайности этих чисел и того, что они были созданы заново. 

Это очень важный шаг на пути к использованию квантовых компьютеров в решении практических задач, которые пока невозможно реализовать с помощью классических систем. Протокол сертифицированной случайности впервые предложил профессор компьютерных наук в Техасском университете в Остине и директор Центра квантовой информации Скотт Ааронсон. Вместе с бывшим научным сотрудником Ши-Хан Хунгом они разработали теоретическую основу и аналитическую поддержку для экспериментальной демонстрации.

В прошлом году разработчики из Quantinuum и JPMorganChase, а также команда специалистов из Google объявили о выполнении на своих квантовых компьютерах задач, которые невозможны были в случае с использованием супер-компьютеров. Это достижение стало известным как квантовое преимущество. Однако преобразование этой мощности для решения практических задач оставалось открытым вызовом. 

Решение было достигнуто путем использования случайной циклической выборки для генерации сертифицированной случайности. Это очень важно для многих приложений в области криптографии и защиты данных.

Классические компьютеры не способны самостоятельно генерировать настоящие случайные числа. Поэтому обычно их подключают к аппаратному генератору случайных чисел. Однако злоумышленники могут получить доступ к этому генератору и использовать его для предоставления компьютеру не случайных чисел. Это используется, в частности, для взлома криптографических кодов. Сертифицированный протокол случайности не позволяет мошенникам сделать это, даже если они получат доступ к квантовому компьютеру.

Команда разработчиков удаленно получила доступ к 56-кубитному квантовому компьютеру Quantinuum System Model H2 с захваченными ионами и сгенерировала случайные сертифицированные биты. В частности, они выполнили протокол сертифицированного расширения случайности на основе RCS, который выводит больше случайных чисел, чем имеет на входе.

Протокол состоит из двух этапов. Сперва исследователи многократно нагружали квантовый компьютер сложными задачами, требуя быстро их решить, чего не может даже самый мощный суперкомпьютер в мире. Квантовый компьютер мог решить эти задачи, выбрав лишь одно из многих вероятных решений случайным образом.

Второй этап предполагал математическую сертификацию случайности с использованием классических суперкомпьютеров. На практике было продемонстрировано, что случайность не может быть имитирована с помощью классических суперкомпьютеров. Используя классическую сертификацию на нескольких передовых суперкомпьютерах с суммарной производительностью 1,1×10 ¹⁸ операций с плавающей точкой в секунду (1,1 ExaFLOPS) команде удалось сертифицировать 71 313 бит энтропии.

В июне 2024 года Quantinuum модернизировала свой квантовый компьютер System Model H2 до 56 кубитов с захваченными ионами. H2 улучшил существующий уровень техники в отрасли в 100 раз благодаря своей высокой точности и общей связности кубитов, что подтвердило вывод, что результат не мог быть получен ни на одном из существующих классических компьютеров.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature

Источник: SciTechDaily