Числа, генерируемые обычными программными ГСЧ, абсолютно детерминированы. Физические же ГСЧ (даже квантовые) не детерминированы, но из-за несовершенства компонентов они выдают «грязную» случайность — с микро-закономерностями и смещениями. Это можно использовать для взлома шифра.

Вот почему истинная непредсказуемость крайне важна.

Учёные из Швейцарского федерального технологического института Цюриха (ETH Zurich) опубликовали научную работу, в которой случайность достигает настолько высокого уровня (см. диаграмму в конце статьи со значением CHSH S = 2,271), который вообще невозможен в любой локально-реалистической теории. Только квантовые эффекты позволяют повысить теоретически возможный лимит S с 2 до 2√2.

«Любое обычное электронное устройство, такое как телефон или компьютер, полностью детерминировано, поэтому на самом деле очень трудно для компьютера или любого другого электронного устройства сгенерировать случайное значение», — объясняет Ренато Реннер (Renato Renner), профессор физики в ETH Zurich и член исследовательской группы. — Оно не может просто подбросить монету, потому что всё, что происходит на уровне логики, в основном полностью предсказуемо».

Вот тут и вступает в дело новая система. Кубиты могут находиться в любой суперпозиции двух базовых состояний. Они коллапсируют в конкретное значение только в момент измерения их квантового состояния. В новой статье объясняется, как система из двух кубитов может генерировать истинную случайность.

Для сертификации случайности исследователи провели так называемый тест Белла, который анализирует квантовую систему на предмет любых признаков влияния классической физики.

«Наша установка позволяет проводить множество тестов Белла с хорошим качеством и на высокой скорости, — говорит Андреас Вальрафф (Andreas Wallraff), коллега Реннера из ETH Zurich и соавтор исследования. — Для эксперимента мы провели 1,34 млрд этих тестов, чтобы создать сертифицированную случайность, которая затем используется в алгоритме, разработанном Ренато и его командой для получения итоговой гарантированно случайной последовательности».

Хотя предыдущие эксперименты уже могли генерировать практически идеальную случайность, но в данном случае физики сумели усиливать случайность до идеального состояния даже на основе недоверенных источников сигнала.

Тест Белла — это практический способ доказать существование квантовой запутанности, при которой измерение состояния одной частицы мгновенно определяет состояние другой, даже если они находятся на разных концах Вселенной. Эта идея настолько противоречит повседневному здравому смыслу, что в своё время расколола физическое сообщество. Например, Альберт Эйнштейн не верил в «жуткое дальнодействие», которое противоречит локальному реализму.

Тест Белла показывает, что квантовая запутанность действительно существует. В данном эксперименте запутанные кубиты использовались для проведения теста Белла, а в качестве неидеальных входных генераторов выступали квантовые генераторы с диффузией фазы лазерного излучения.

Диаграмма вверху представляет полное описание экспериментального протокола. Слева показана экспериментальная установка: два криостата растворения, разделённые на 30 м, содержат по одному сверхпроводящему кубиту, образуя узлы A и B. Длинная труба необходима для закрытия лазейки локальности (locality loophole). Расстояние гарантирует, что детекторы физически не успеют обменяться классическими сигналами (даже со скоростью света) за то время, пока идёт измерение. Кстати, на следующей фотографии из пресс-релиза ETH Zurich показан фрагмент этой 30-метровой трубы, которая соединяет криостаты с кубитами:

Возвращаясь к схеме установки: два криостата с кубитами в совокупности представляют недоверенное устройство . Звёзды обозначают местоположение входных квантовых ГСЧ, а крестики — АЦП для захвата сигнала. Расстояние между начальным событием и концом захвата, следовательно, составляет 33 м.

Вставка в нижнем левом углу выделяет один из двух ГСЧ, производящих строку случайных битов со смещением .

Далее на фрагменте b изображена диаграмма пространства-времени самого эксперимента. Каждый эксперимент начинается с выборки случайного бита (красный) и , (синий) из квантовых ГСЧ и заканчивается дискретизированным результатом измерения (, ). Индивидуальные экспериментальные сегменты обозначены ниже различными цветами: производство случайных чисел, длительность импульсов выбора базы и измерения, а также длительность сигналов, входящих и выходящих из криостатов.

Наконец, справа © показано схематическое представление процедуры постобработки, дающей сертифицированную случайную строку. Этот алгоритм описан в подписи к КДПВ.

ETH Zurich поясняет, что только новый эксперимент пересёк границу, которая считается сертифицированной «идеальной случайностью».

Цветная область на графике — это компромисс между значением CHSH и количеством испытаний n, необходимых для получения минимум миллиона битов равномерной случайности, и допустимым смещением μ. Форма маркера представляет экспериментальную платформу: фотоны (треугольники), центры с азотно-вакансионными дефектами (ромбы), нейтральные атомы (пятиугольники), захваченные ионы (квадрат) и сверхпроводящие цепи (звёзды). Цвет обозначает тип эксперимента: зелёный — независимое от устройства расширение случайности; синий — тест Белла без лазеек; фиолетовый — независимое от устройства квантовое распределение ключей; жёлтый — независимое от устройства усиление случайности.

Значение S для CHSH (Clauser–Horne–Shimony–Holt) показывает меру нарушения неравенства Белла. Этот показатель используется для количественной оценки квантовой запутанности и нелокальности в эксперименте.

Чем выше значение CHSH, тем больше можно гарантированно извлечь истинной случайности даже из сильно зашумлённого (biased) источника. Устойчивость к шуму на графике показана цветом (tolerated bias μ). Зафиксированное здесь S — очень высокий показатель. Согласно классической физике, значение не может превышать 2. Квантовая механика позволяет преодолеть этот барьер.

Научная статья «Экспериментальное усиление случайности» Анатолия Куликова с соавторами опубликована 27 мая 2026 года в журнале Nature (doi: 10.1038/s41586-026-10521-8).

Работа имеет огромную ценность для криптографии и квантовой сертификации случайности уже сейчас. Как уже упоминалось, недостаточная случайность чисел и низкое качество ГСЧ — причина множества взломов.