Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont développé une méthode pour générer des nombres garantis aléatoires par la mécanique quantique. Décrit dans le numéro du 12 avril de La nature , la technique expérimentale surpasse toutes les méthodes précédentes pour garantir l'imprévisibilité de ses nombres aléatoires et peut améliorer la sécurité et la confiance dans les systèmes cryptographiques.

La nouvelle méthode NIST génère des bits numériques (1s et 0s) avec des photons, ou des particules de lumière, en utilisant des données générées dans une version améliorée d'une expérience de physique historique du NIST en 2015. Cette expérience a montré de manière concluante que ce qu'Einstein a ridiculisé comme "une action effrayante à distance" est réel. Dans le nouveau travail, les chercheurs traitent la sortie effrayante pour certifier et quantifier le caractère aléatoire disponible dans les données et générer une chaîne de bits beaucoup plus aléatoires.

Les nombres aléatoires sont utilisés des centaines de milliards de fois par jour pour crypter les données dans les réseaux électroniques. Mais ces nombres ne sont pas certifiables aléatoires dans un sens absolu. C'est parce qu'ils sont générés par des formules logicielles ou des dispositifs physiques dont la sortie supposée aléatoire pourrait être compromise par des facteurs tels que des sources de bruit prévisibles. L'exécution de tests statistiques peut aider, mais aucun test statistique sur la sortie seule ne peut garantir absolument que la sortie était imprévisible, surtout si un adversaire a falsifié l'appareil.

"Il est difficile de garantir qu'une source classique donnée est vraiment imprévisible, ", a déclaré Peter Bierhorst, mathématicien du NIST. "Notre source et notre protocole quantiques sont comme une sécurité intégrée. Nous sommes sûrs que personne ne peut prédire nos chiffres."

"Quelque chose comme un tirage au sort peut sembler aléatoire, mais son issue pourrait être prédite si l'on pouvait voir le chemin exact de la pièce lorsqu'elle dégringole. L'aléatoire quantique, d'autre part, est un vrai hasard. Nous sommes très sûrs que nous assistons à un hasard quantique car seul un système quantique pourrait produire ces corrélations statistiques entre nos choix de mesure et les résultats. »

La nouvelle méthode quantique fait partie d'un effort continu pour améliorer la balise aléatoire publique du NIST, qui diffuse des bits aléatoires pour des applications telles que le calcul multipartite sécurisé. La balise NIST s'appuie actuellement sur des sources commerciales.

La mécanique quantique fournit une source supérieure d'aléatoire parce que les mesures de certaines particules quantiques (celles dans une "superposition" de 0 et de 1 en même temps) ont des résultats fondamentalement imprévisibles. Les chercheurs peuvent facilement mesurer un système quantique. Mais il est difficile de prouver que des mesures sont faites d'un système quantique et non d'un système classique déguisé.

Dans l'expérience du NIST, cette preuve vient de l'observation des corrélations quantiques effrayantes entre des paires de photons distants tout en comblant les « échappatoires » qui pourraient autrement permettre à des bits non aléatoires de paraître aléatoires. Par exemple, les deux stations de mesure sont positionnées trop éloignées pour permettre des communications cachées entre elles; par les lois de la physique, de tels échanges seraient limités à la vitesse de la lumière.

Les nombres aléatoires sont générés en deux étapes. D'abord, l'expérience d'action effrayante génère une longue chaîne de bits via un "test de Bell, " dans lequel les chercheurs mesurent les corrélations entre les propriétés des paires de photons. Le timing des mesures garantit que les corrélations ne peuvent pas être expliquées par des processus classiques tels que des conditions préexistantes ou des échanges d'informations à, ou plus lent que, la vitesse de la lumière. Des tests statistiques des corrélations démontrent que la mécanique quantique est à l'œuvre, et ces données permettent aux chercheurs de quantifier la quantité d'aléatoire présente dans la longue chaîne de bits.

Ce caractère aléatoire peut être très mince tout au long de la longue chaîne de bits. Par exemple, presque tous les bits peuvent être à 0 et quelques-uns seulement à 1. Pour obtenir une valeur courte, chaîne uniforme avec un caractère aléatoire concentré tel que chaque bit a 50/50 chances d'être 0 ou 1, une deuxième étape appelée "extraction" est effectuée. Les chercheurs du NIST ont développé un logiciel pour traiter les données du test Bell en une chaîne de bits plus courte qui sont presque uniformes; C'est, avec des 0 et des 1 également probables. Le processus complet nécessite l'entrée de deux chaînes indépendantes de bits aléatoires pour sélectionner les paramètres de mesure pour les tests de Bell et pour « amorcer » le logiciel pour aider à extraire le caractère aléatoire des données d'origine. Les chercheurs du NIST ont utilisé un générateur de nombres aléatoires conventionnel pour générer ces chaînes d'entrée.

A partir de 55 ans, 110, 210 essais du test de Bell, dont chacun produit deux bits, les chercheurs ont extrait 1, 024 bits certifiés pour être uniformes à moins d'un billionième de 1 pour cent.

"Un tirage au sort parfait serait uniforme, et nous avons fait 1, 024 bits presque parfaitement uniformes, chacun extrêmement proche à également susceptible d'être 0 ou 1, " a déclaré Bierhorst.

D'autres chercheurs ont déjà utilisé des tests de Bell pour générer des nombres aléatoires, mais la méthode NIST est la première à utiliser un test de Bell sans faille et à traiter les données résultantes par extraction. Les extracteurs et les graines sont déjà utilisés dans les générateurs de nombres aléatoires classiques; En réalité, Les graines aléatoires sont essentielles à la sécurité informatique et peuvent être utilisées comme clés de chiffrement.

Dans la nouvelle méthode NIST, les nombres finaux sont certifiés aléatoires même si les paramètres de mesure et les semences sont publiquement connus ; la seule exigence est que l'expérience de test de Bell soit physiquement isolée des clients et des pirates. "L'idée est que vous obtenez quelque chose de mieux (aléatoire privé) que ce que vous mettez (aléatoire public), " a déclaré Bierhorst.