Группа учёных из JPMorgan Chase, Quantinuum, ведущих национальных лабораторий США (включая Аргоннскую, Ок-Риджскую и лабораторию Беркли) и Техасского университета в Остине достигла значительного успеха, впервые решив практически полезную задачу на квантовом компьютере — создание случайных чисел с научно обоснованной надёжностью. Эти достижения открывают перспективы нового уровня безопасности в криптографии и защищённых коммуникациях.
Случайные числа являются основой цифровой безопасности: от шифрования данных до алгоритмов, требующих объективности. Однако традиционные системы не могут гарантировать абсолютную случайность, поскольку теоретически их генераторы могут быть взломаны. Квантовые компьютеры справляются с этой задачей, но до недавнего времени не было способа однозначно подтвердить истинную случайность сгенерированных чисел.
Эксперимент основан на протоколе, предложенном профессором Скоттом Ааронсоном в 2018 году, который сочетает квантовые вычисления с классической верификацией. Учёные использовали 56-кубитный квантовый компьютер Quantinuum H2-1, работающий на основе ионных ловушек, к которому подключались через интернет. Это устройство выполняло задачи по случайному выбору вектора (RCS, Random Circuit Sampling) — такие сложные, что даже объединённые суперкомпьютеры Ок-Риджа, Аргонна и Беркли с суммарной мощностью 1,1 эксафлопс (1,1 квинтиллиона операций в секунду) не смогли бы справиться за отведённое время (менее 2,2 секунды на задачу). Суть метода RCS заключается в конструировании настолько сложной задачи, что даже самые мощные классические суперкомпьютеры не в состоянии её быстро решить или спрогнозировать итоговые результаты. Например, квантовый компьютер строит уникальный «лабиринт» из квантовых операций, и затем записывает путь информации через него. Классические системы пытаются следовать этому маршруту, но из-за сложности и случайности схемы не успевают. Это позволяет удостовериться, что результат был получен именно при помощи квантовой системы, а не сымитирован.
Каждый отклик квантовой системы проверялся методом XEB (кросс-энтропийное тестирование). Результаты расчётов убедили: фальсификация данных потребует вычислительных мощностей, недоступных даже самым продвинутым суперкомпьютерам.
Исследователи доказали, что квантовый компьютер Quantinuum H2-1 смог создать 71 313 бит, которые не имеют скрытых закономерностей, независимы от внешних факторов (в отличие от классических генераторов, которые могут быть скомпрометированы) и прошли проверку классическими суперкомпьютерами на соответствие стандартам. Подобную последовательность даже возможный злоумышленник не смог бы предугадать или воспроизвести, не проанализировав 271311 различных вариантов. Для наглядности: современные суперкомпьютеры могут обрабатывать порядка 1018 операций в секунду, а здесь речь идёт о числе с десятками тысяч цифр. Настолько сложной задачи ни один существующий квантовый компьютер пока не может решить.
«Это не просто теоретическое упражнение, а реальное решение насущной проблемы», — отметил Марко Пистойя из JPMorgan Chase. «Наше исследование демонстрирует, как квантовые компьютеры способны выполнять ключевые задачи для криптографии». Команда подчёркивает, что протокол избавляет от необходимости «доверять» поставщику квантовых услуг — теперь клиент может удалённо верифицировать случайность.
Текущая скорость генерации составляет около 1 бита в секунду, но с повышением точности квантовых операций и скоростью их выполнения система сможет масштабироваться. В компании Quantinuum уже заявили, что эта технология станет ключевым элементом для обеспечения «квантовой безопасности» в финансовых, производственных и других сферах.
«Мы прошли путь от теории к практике», — подчеркнул генеральный директор Quantinuum Раджиб Хазра. «Следующий шаг — внедрение подобных решений в промышленность». По оценкам участников проекта, сертифицированная случайность может стать стандартом защиты данных и коммуникаций уже в ближайшие десять лет, существенно снижая риски взлома криптографических систем.
Источник: iXBT
