Les nombres aléatoires générés par le quantique établissent une nouvelle norme de précision

• Les scientifiques génèrent des nombres aléatoires absolus à l'aide de la mécanique quantique. 
• La technique consiste à créer des bits numériques avec des particules de lumière, des photons.
• Cela pourrait éventuellement améliorer les systèmes de cryptographie et de sécurité. 

Des scientifiques du NIST (National Institute of Standards and Technology) ont mis au point une nouvelle technique permettant de générer un nombre aléatoire plus précieux en utilisant la mécanique quantique. Désormais, l'imprévisibilité des nombres aléatoires surpasse toutes les méthodes utilisées auparavant, améliorant ainsi les systèmes cryptographiques et de sécurité.

Quel est le problème avec les systèmes existants, avez-vous demandé ? Eh bien, ils ne génèrent pas de nombre aléatoire au sens absolu. Un nombre produit aléatoirement par la machine ou par les formules logicielles peut être compromis par de nombreux facteurs, notamment des sources de bruit prévisibles. Vous pouvez effectuer des tests statistiques, mais aucun test portant uniquement sur le résultat ne peut garantir que le résultat était imprévisible.

Les nombres aléatoires sont utilisés quotidiennement des milliards de fois pour chiffrer des informations privées sur les réseaux électroniques. Mais comme personne ne peut garantir que la source conventionnelle soit réellement imprévisible, cela limite la solidité des systèmes de sécurité. C'est un peu comme lancer une pièce de monnaie :cela semble aléatoire, mais on peut connaître le résultat s'il trace le chemin de la pièce au fur et à mesure qu'elle tombe.

Cependant, la nouvelle méthode repose sur une source et un protocole quantiques. Et les chercheurs sont presque sûrs que personne ne peut prédire les résultats quantiques. Seule une machine quantique pourrait générer les corrélations statistiques entre les résultats et les choix de mesure.

Comment ça marche ?

La nouvelle technique consiste à créer des bits numériques (0 et 1) avec des particules de lumière, des photons. Il est basé sur l’expérience précédente du NIST « une action effrayante à distance est réelle » qui soutenait fortement une prédiction clé de la mécanique quantique. Le nouveau travail produit cependant une chaîne de bits aléatoires beaucoup plus réels.

Plus précisément, la génération aléatoire utilise un test de Bell « sans faille », caractérisé par une séparation de type spatial et une efficacité de détection des stations de mesure lors des essais expérimentaux.

Inégalités de Bell 

La prochaine chose à comprendre est le test Bell, dans lequel les mesures sont effectuées sur un système intriqué avec des modules placés dans deux stations de mesure distinctes. Un choix est effectué à chaque station (entre un des deux types de mesures).

Si les données de mesure violent certains scénarios appelés « inégalités de Bell » après plusieurs essais, alors les données sont certifiées comme étant aléatoires sous des hypothèses faibles.

Tous les bits sont imprévisibles en supposant deux points clés –

1. Les paramètres de mesure sont indépendants des appareils et des données classiques existantes les concernant.
2. Dans chaque essai expérimental, les résultats de mesure à chaque station sont indépendants des configurations de l'autre station.

Le premier n’est pas testable, mais comme on peut sélectionner les paramètres de mesure indépendamment, il fait souvent appel à l’interprétation de plusieurs lois de la physique et d’expériences scientifiques. Le deuxième point ne peut être violé que si les signaux peuvent être transférés plus rapidement que la vitesse de la lumière.

Référence :Nature | est ce que je:10.1038/s41586-018-0019-0 | NIST

Générer un nombre aléatoire 

Le processus de génération de nombres aléatoires peut être divisé en deux étapes :la génération de chaînes longues et l'extraction.

Tout d’abord, les chercheurs ont utilisé une expérience d’action effrayante pour créer une longue chaîne de bits via un test Bell. Ils ont calculé des corrélations entre les propriétés des paires de photons. Le facteur timing garantit que les corrélations ne peuvent pas être démontrées par des processus traditionnels tels que des scénarios existants ou un échange de données à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière.

La mécanique quantique a été vérifiée à l'aide de tests statistiques, et ces informations ont permis aux scientifiques de quantifier le caractère aléatoire de cette longue chaîne.

Crédit image : Shalm / NIST

Comme vous pouvez le voir dans la configuration expérimentale, un faisceau laser frappe un cristal unique et est converti en paires de photons qui sont intriquées. Les photons sont ensuite calculés pour générer une chaîne de nombres aléatoires absolus. 

Cependant, le caractère aléatoire n’a pas pu se propager correctement dans toute la chaîne. Par exemple, presque tous les bits peuvent être 1 et aucun ou très peu être 0. Pour obtenir une petite chaîne uniforme avec un réel caractère aléatoire (dans laquelle chaque bit a 0,5 probabilité d'être 1 ou 0), les chercheurs effectuent une deuxième étape :l'extraction.

Ils ont conçu un logiciel spécial pour transformer les données de test Bell en une chaîne plus petite et uniforme.

La méthode globale nécessite 2 chaînes indépendantes (contenant des bits aléatoires, générés via des méthodes traditionnelles) pour sélectionner les configurations de mesure pour les tests Bell et pour alimenter le logiciel, qui extrait le caractère aléatoire des données initiales.

Lire :Quel est le plus grand nombre premier connu | Il fait 23 millions de chiffres

Ils ont rassemblé un total de 5 ensembles de données, le meilleur produisant 1 024 bits aléatoires uniformément répartis entre 10 et 12, soit 1 billionième de 1 %.

À ce jour, il s'agit de la meilleure méthode pour générer physiquement du caractère aléatoire, améliorant ainsi la sécurité et un large éventail d'applications.