Quantenzufallszahlengeneratoren
A Quantenzufallszahlengenerator (QRNG) erzeugt durch die Messung eines Quantensystems wirklich unvorhersehbare Zahlen. Im Gegensatz zu Software-Pseudozufallsgeneratoren, die einer deterministischen Formel folgen und nur zufällig erscheinen, bezieht ein QRNG seine Zufälligkeit aus der grundlegenden Unbestimmtheit der Quantenmechanik.
Warum Quantenzufälligkeit anders ist
In der klassischen Physik wird ein scheinbar zufälliges Ergebnis – ein Münzwurf, ein Würfelwurf – in Wirklichkeit durch Anfangsbedingungen bestimmt, die wir einfach nicht genau kennen. Quantenmessung ist anders. Wenn ein System in einem Überlagerung gemessen wird, ist das Ergebnis, soweit alle Beweise zeigen, irreduzibel zufällig: Nicht einmal eine vollständige Kenntnis des Systems kann vorhersagen, welches Ergebnis eintritt. Dies macht Quantenprozesse zu einer idealen Quelle echter Zufälligkeit.
Wie QRNGs erstellt werden
Ein einfaches Design sendet einzelne Photonen auf einen halbversilberten Spiegel (einen Strahlteiler). Jedes Photon hat eine 50/50-Chance, durchgelassen oder reflektiert zu werden, und ein Detektor auf jedem Pfad zeichnet eine 0 oder eine 1 auf. Da die Wahl durch Quantenmessungen bestimmt wird, ist die resultierende Bitfolge unvorhersehbar. Andere praktische Geräte messen die zufälligen Ankunftszeiten von Photonen, den Quantentunnelstrom über einen Übergang oder die winzigen Vakuumschwankungen eines elektromagnetischen Feldes. Vakuumfluktuationsdesigns erfreuen sich besonders großer Beliebtheit, da sie schnell sind und mit optischen Standardkomponenten aufgebaut werden können.
Es gelten hochwertige QRNGs Zufälligkeitsextraktion Anschließend erfolgt eine mathematische Nachbearbeitung, die alle durch unvollständige Hardware verursachten Verzerrungen oder Korrelationen beseitigt und eine gleichmäßige Ausgabe mit hoher Entropie ergibt.
Warum es wichtig ist
Starke Zufälligkeit ist die Grundlage sicherer Kryptographie. Verschlüsselungsschlüssel, digitale Signaturen und sichere Kommunikation hängen alle von Zahlen ab, die ein Angreifer nicht erraten oder reproduzieren kann. QRNGs liefern Zufälligkeiten, deren Unvorhersehbarkeit auf den Gesetzen der Physik und nicht auf der Geheimhaltung eines Algorithmus beruht, und „geräteunabhängige“ Versionen können ihre Zufälligkeit sogar durch Tests auf der Grundlage von bestätigen Satz von Bell.
Ein häufiges Missverständnis
Ein QRNG erzeugt nicht nur Zahlen, die schwer vorherzusagen sind – es erzeugt Zahlen, die sind unmöglich im Prinzip vorherzusagen, gegebene Quantentheorie. Das ist eine stärkere Garantie als bei jedem klassischen oder Software-Generator, dessen Ausgabe immer durch einen verborgenen internen Zustand oder Startwert bestimmt wird.