Ученые из Сингапура разработали новый чип — генератор квантовых случайных чисел, который способен самостоятельно проверять исправность собственного оборудования в процессе работы. Это решает давнюю проблему безопасности, характерную для цифровых систем шифрования.
Случайные числа играют ключевую роль в формировании ключей шифрования, обеспечении безопасных транзакций, создании цифровых подписей и других задачах кибербезопасности. Существующие генераторы случайных чисел, включая квантовые версии, требуют от пользователя доверия к тому, что аппаратные компоненты всегда работают штатно. Если какой-либо элемент деградирует или будет скомпрометирован, выходные данные могут стать предсказуемыми, оставаясь при этом незамеченными.
Новый чип устраняет этот риск благодаря постоянной проверке: он отслеживает, ведет ли себя измерительное оборудование в соответствии с ожиданиями. По словам команды, такой подход может усилить безопасность в финансовом секторе, здравоохранении, системах искусственного интеллекта и в сетях подключенных устройств.
Большинство квантовых генераторов случайных чисел работают в так называемой модели доверенного устройства. Она предполагает, что лазеры, модуляторы и детекторы остаются в пределах заданных характеристик в течение всего срока службы. Вместо этого новый чип использует протокол, независимый от измерительного устройства: пользователю нужно доверять только квантовым оптическим сигналам на входе, а не детектору, который их измеряет.
В процессе работы чип генерирует известные квантовые состояния света и сравнивает реакции детектора с предсказаниями квантовой теории. Если результаты соответствуют ожиданиям, система преобразует данные в сертифицированные случайные числа. При отклонении процесс автоматически останавливается.
Чип сделан по стандартной полупроводниковой технологии на восьмидюймовых пластинах и работает при комнатной температуре, в отличие от многих квантовых устройств, которым требуется сильное охлаждение. Ученые также решили техническую проблему: регулировка фазы света в кремниевых чипах может непреднамеренно менять его яркость, что снижает безопасность, но они разработали специальный метод управления, компенсирующий этот эффект.
Эффективность детектора составила 69,1%, что превышает минимальное требование протокола в 67%. Тесты подтвердили, что система генерирует больше сертифицированных случайных битов, чем потребляет в качестве входного начального значения («семени»), то есть производит действительно новую случайность.
Ученые называют устройство самым безопасным из продемонстрированных на сегодняшний день квантовых генераторов случайных чисел. Анализ учитывает наихудший сценарий, когда злоумышленник может обладать квантовыми корреляциями с самим детектором.
Главный недостаток — скорость: текущая версия выдает только 64 бита в секунду, тогда как обычные квантовые генераторы могут выдавать больше 100 гигабит в секунду. Тем не менее команда считает, что производительность можно значительно повысить за счет улучшения детекторов. Лабораторные фотодиоды уже показали эффективность 92,4%, а моделирование указывает на возможность достижения скорости 68 мегабит в секунду в будущих версиях чипа.