Le générateur de nombres aléatoires quantiques le plus rapide au monde dévoilé en Chine

La vie privée est l’une des qualités les plus précieuses de la société. La capacité d'envoyer des messages privés et d'effectuer des transactions financières sans crainte d'être surveillé est au cœur de nombreuses activités gouvernementales, militaires et commerciales.

Une technologie qui permet de le faire parfaitement est la cryptographie quantique, et elle nécessite une puissante source de nombres aléatoires.

Mais il y a un problème. Les nombres aléatoires sont étonnamment difficiles à générer en grande quantité. L'une des meilleures sources est le monde quantique qui est fondamentalement aléatoire. Mais les meilleurs générateurs de nombres aléatoires quantiques disponibles dans le commerce ne les produisent qu'à un rythme d'un million par seconde, bien en deçà des dizaines de milliards par seconde dont de nombreuses applications ont besoin.

Aujourd'hui, cela semble avoir changé grâce au travail de You-Qi Nie au Laboratoire national des sciences physiques de Hefei en Chine et à quelques amis qui disent avoir construit un générateur de nombres aléatoires quantiques capable d'en produire 68 milliards par seconde. Ils disent que la technique devrait supprimer une barrière importante empêchant les gouvernements, les militaires et le reste d'entre nous de bénéficier d'une sécurité parfaite.

Les nombres aléatoires doivent être imprévisibles et non reproductibles, ce qui exclut leur génération à l'aide de processus algorithmiques ordinaires, qui ont tendance à être à la fois prévisibles et reproductibles. Les informaticiens savent depuis longtemps que les programmes prétendant produire des nombres aléatoires s'avèrent généralement ne rien faire de la sorte.

Au lieu de cela, les physiciens se sont tournés vers des processus naturels pour produire des nombres aléatoires. Par exemple, on pense que la turbulence est entièrement aléatoire, de sorte que la mesure des effets turbulents de l'atmosphère sur un faisceau laser est une méthode de production de nombres aléatoires, bien que plutôt lente et qui pourrait facilement être biaisée par des facteurs environnementaux.

C'est pourquoi les physiciens préfèrent utiliser des processus quantiques pour générer des nombres aléatoires. Celles-ci sont considérées comme aléatoires en principe et de nature fondamentale, ce qui est important car cela signifie qu'il ne peut y avoir de processus physique sous-jacent susceptible d'introduire la prévisibilité.

Les physiciens ont essayé de nombreuses façons de produire des nombres aléatoires quantiques. L'une des plus populaires consiste à envoyer un flux de photons à travers un séparateur de faisceau, qui les transmet ou les réfléchit avec une probabilité de 50 %. Le simple comptage des photons réfléchis ou transmis produit une séquence aléatoire de 0 et de 1.

C'est exactement ainsi que fonctionne le seul générateur de nombres aléatoires quantiques disponible dans le commerce au monde. Mais sa vitesse est limitée à environ un mégabit par seconde. C'est parce que les détecteurs de photons uniques ne peuvent pas compter plus vite que cela.

Récemment, les physiciens ont commencé à jouer avec une nouvelle technique. Cela découle des deux manières différentes dont les photons sont générés à l'intérieur des lasers. La première est par émission stimulée, qui est un processus prévisible produisant des photons qui ont tous la même phase. La seconde est l'émission spontanée, un processus quantique entièrement aléatoire. Ces photons sont généralement traités comme du bruit et sont dans tous les cas submergés lorsque le laser fonctionne à pleine inclinaison.

Cependant, l'émission spontanée devient significative lorsque le laser fonctionne à son niveau de seuil, avant que l'émission stimulée ne s'installe réellement. S'il est possible de mesurer ces photons, alors il sera peut-être possible d'exploiter leur caractère aléatoire.

You-Qi et co ont fait exactement cela. Ces gars ont créé un interféromètre très sensible qui convertit les fluctuations de la phase des photons en changements d'intensité. C'est important car les changements d'intensité peuvent être facilement mesurés à l'aide de photodétecteurs conventionnels qui fonctionnent à des taux beaucoup plus élevés que les détecteurs à photon unique.

Cela a permis à l'équipe de mesurer ces changements aléatoires et de les numériser à un débit de 80 Gbps. Ce flux de données doit ensuite être nettoyé de diverses manières pour supprimer tout biais introduit par le processus de mesure.

Mais après cela, l'équipe est toujours capable de produire des nombres aléatoires au taux de 68 Gbps.

Il n'y a aucun moyen de garantir qu'une séquence de nombres est parfaitement aléatoire, mais il existe un ensemble de tests standard qui peuvent détecter certains types de modèles, s'ils sont présents. You-Qi et co disent que leurs séquences de nombres aléatoires passent tous ces tests avec brio.

Le résultat final est le générateur de nombres aléatoires quantiques le plus rapide jamais produit par une certaine marge.

C'est un travail impressionnant qui devrait préparer le terrain pour certaines applications grand public utilisant la cryptographie quantique. Notre démonstration montre que les générateurs de nombres aléatoires quantiques à grande vitesse sont prêts pour une utilisation pratique, disent You-Qi et co. Notre générateur de nombres aléatoires quantiques pourrait être une approche pratique pour certaines applications spécifiques telles que les systèmes QKD avec une fréquence d'horloge supérieure à 10 GHz.

En d'autres termes, de nombreuses organisations qui ont besoin d'un système pratique offrant un secret garanti par les lois de la physique quantique n'auront peut-être plus longtemps à attendre.

Réf : arxiv.org/abs/1506.00720 : Génération de nombres aléatoires quantiques 68 Gbps en mesurant les fluctuations de phase laser

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