Le bruit quantique bat le record du générateur de nombres aléatoires

Les nombres aléatoires sont des bêtes utiles, en particulier pour les cryptographes qui les utilisent pour générer leurs codes.

Mais comment faire au mieux des nombres aléatoires à des vitesses utiles ? La question est intimement liée à la nature de l'aléatoire. Une façon consiste à s'appuyer sur un ordinateur pour effectuer la tâche à l'aide d'un algorithme qui génère des nombres qui semblent aléatoires. Par exemple, les chiffres de pi apparaissent aléatoires mais peuvent être générés par un algorithme simple.

Les mathématiciens traitent ces nombres pseudo-aléatoires avec prudence. L'une des raisons pour lesquelles ils valorisent les nombres aléatoires est précisément parce qu'ils ne peuvent être générés par aucun processus logique : tout ce qui peut être calculé, comme pi, tombe clairement en dehors de cette catégorie. Les cryptographes, en particulier, veulent des codes qui ne peuvent pas être calculés par un espion avec un ordinateur suffisamment puissant.

Le consensus actuel est que la meilleure source d'aléatoire est le monde quantique où règne l'incertitude. Nous avons récemment examiné à quel point ce caractère aléatoire est bon. Toute incertitude sur la valeur des quantités physiques telles que la position, la quantité de mouvement, le champ électrique fera l'affaire.

Une façon d'exploiter cette incertitude est d'envoyer des photons vers un miroir semi-argenté et de mesurer s'ils sont réfléchis ou transmis. La séquence résultante de 0 et de 1 devrait être vraiment aléatoire.

Le problème ici est la vitesse à laquelle des nombres vraiment aléatoires peuvent être générés. Appareils commerciaux qui fonctionnent de cette manière avec des miroirs semi-argentés génèrent des nombres aléatoires à une vitesse allant jusqu'à 16 Mbits par seconde.

Aujourd'hui, Yu Liu et ses amis de l'Université de Pékin en Chine révèlent un moyen d'accélérer considérablement ce processus. Leur idée est d'utiliser le bruit de phase dans un laser pour générer des nombres aléatoires.

Le bruit de phase est le résultat d'incertitudes quantiques dans la manière dont les photons sont spontanément émis à l'intérieur d'un laser, en raison des fluctuations du vide du champ électrique, par exemple. Le fait que les photons soient émis avec des fréquences très légèrement différentes.

Liu et co utilisent ce petit changement de fréquence pour créer un signal de battement en retardant une partie de la lumière laser et en l'interférant avec la sortie ultérieure. Ils échantillonnent ensuite le signal de battement avec un convertisseur analogique-numérique.

Après un petit nettoyage mathématique, la séquence de nombres résultante passe un certain nombre de tests standard de hasard et Liu et ses amis sont capables de la prononcer vraiment aléatoire.

Ce qui est impressionnant avec cette technique, c'est le débit de données qu'elle atteint. Liu and co revendiquent des débits de données allant jusqu'à 300 Mbits par seconde. Et puisque le laser à cavité verticale qu'ils utilisent pour cela peut être relativement facilement intégré dans les circuits électroniques modernes, rien ne l'empêche d'être utilisé presque immédiatement pour des applications commerciales.

Ce n'est pas le générateur de nombres aléatoires le plus rapide - ce record revient à une équipe israélienne qui a récemment atteint 3 Gbits par seconde en utilisant la sortie chaotique d'un laser. C'est bien, mais pas le hasard quantique, qui est l'étalon-or pour de nombreux physiciens.

Plus tôt ce mois-ci, une équipe aux États-Unis a revendiqué le record du nombre aléatoire généré quantique le plus rapide à 100 Mbits par seconde, sur la base des intervalles entre les arrivées de photons sur un détecteur.

Maintenant, quelques jours plus tard, les Chinois ont fait encore mieux. Cela devrait déclencher une bataille de nombres intéressante avec d'autres fournisseurs de nombres aléatoires pour savoir qui peut générer le plus rapidement un caractère aléatoire de la plus haute qualité. Préparez-vous au combat !

Réf : arxiv.org/abs/1006.3512 : Génération de nombres vraiment aléatoires via l'amplification d'entropie

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