Physiker erzeugen den perfekten Zufall

Nicht unknackbar: Selbst quantenphysikalische Zufallszahlengeneratoren liefern bisher keine absolut perfekten Zufallsabfolgen – das ist ein Problem für die Verschlüsselung. Doch Physiker haben nun eine Methode entwickelt, die solche nicht perfekten Abfolgen mittels „Zufallsverstärkung“ in eine perfekt zufällige Bitreihe umwandelt. Dies gelang mithilfe verschränkter Quantenbits, eines Bell-Tests und eines speziellen Versuchsaufbaus. Die Technologie könnte damit Verschlüsselungen sicherer machen, wie das Team in „Nature“ erklärt.

Zufallszahlen sind unverzichtbar für die Verschlüsselung von Daten, aber auch in der Statistik und Simulation. Milliarden solcher Zufallszahlen werden dafür jeden Tag von sogenannten Random Number Generators erzeugt. Doch selbst modernste, auf quantenphysikalischen Prozessen basierende Zufallszahlengeneratoren liefern keine absolut zufälligen, unvorhersagbaren Zahlenreihen. Kleine systematische Fehler können dazu führen, dass einzelne Zahlen etwas häufiger auftreten als andere – die resultierende Zahl ist nicht mehr vollkommen zufällig.

Das hat Folgen, vor allem für die Kryptografie: „Teile privater Schlüssel, die mithilfe solcher Zufallszahlen erstellt wurden, erwiesen sich als vorhersagbar und das machte es möglich, diese Schlüssel zu rekonstruieren“, erklären Anatoly Kulikov von der ETH Zürich und seine Kollegen.

Noch zufälliger dank „Zufallsverstärkung“

Doch es gibt eine Methode, die eine ursprünglich nicht perfekt zufällige Reihe von Bits in eine perfekt zufällige Bitfolge umwandeln kann: die Zufallsverstärkung. Kernelement dieses Verfahrens ist ein sogenannter Bell-Test, mit dem Physiker normalerweise überprüfen, ob beispielsweise zwei Photonen quantenphysikalisch miteinander verschränkt sind oder nicht. In ihrem Experiment nutzten Kulikov und seine Kollegen einen solchen Bell-Test, um die Messparameter für das Auslesen zu bestimmen.

„In einem zweiten Schritt nutzt man diese unabhängige Eigenschaft für eine aus der Computertechnik bekannte Technik, den Zwei-Quellen-Extraktor“, erklären die Physiker. Wird dieser Algorithmus mit zwei nicht perfekten Zufallsabfolgen sowie deren Modifikation durch den Bell-Test gefüttert, kann er daraus perfekt zufällige Bitfolgen erzeugen. „Die daraus erzeugte Abfolge von Nullen und Einsen ist jetzt wirklich perfekt zufällig, und das können wir sogar zertifizieren“, sagt Seniorautor Renato Renner von der ETH Zürich.

Quantenchips, Verschränkung und ein Extraktor

Konkret lief das Experiment so ab: Der Versuchsaufbau besteht aus zwei supraleitenden Chips in speziellen, 30 Meter voneinander entfernt stehenden Tiefkühlern. Jeder Chip enthält ein Quantenbit, das basierend auf einem gängigen Quanten-Zufallsgenerator Abfolgen von nicht perfekt zufälligen Bits erzeugt. Die Qubits sind über Mikrowellenphotonen und eine 30 Meter lange Rohrleitung miteinander verschränkt. Wird ein Qubit ausgelesen, beeinflusst dies daher automatisch das Messergebnis des verschränkten Qubits in 30 Metern Entfernung.

Der Clou jedoch: Für die von beiden Qubits erzeugten Zufallsabfolgen werden auf Basis des Bell-Tests willkürlich die Messparameter verändert. „Das zufällige Input-Bit kontrolliert den Zustand eines Mikrowellenschalters, der je nach Bedingung einen Mikrowellenpuls erzeugt, der das Qubit um π/2 um eine kontrollierte Achse dreht“, schreiben die Physiker. Die daraus resultierenden Outputs werden dann von einem Zwei-Quellen-Extraktor kombiniert, der daraus eine perfekt zufällige Bitabfolge erstellt.

„Für alle Ewigkeit perfekt zufällig“

Um die perfekte Zufälligkeit zu verifizieren, unterzogen Kulikov und seine Kollegen die resultierende Bitfolge zwei international etablierten Batterien standardisierter Zufälligkeitstests. Die im Experiment erzeugten Zufallsreihen bestanden alle Tests. „Durch die technischen Verbesserungen können wir erstmals Zufallszahlen herstellen, die für alle Ewigkeit perfekt zufällig bleiben – egal, welche Analysemethoden man auf sie anwendet, um die Zufälligkeit zu beurteilen“, sagt Renner.

Nach Ansicht des Teams stellt ihre Methode damit eine physikalisch zertifizierte Quelle von Zufallsabfolgen dar, die für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden kann. Anwendungen könnten von der Verschlüsselung sensibler Kommunikation über digitale Identitäten bis zu öffentlichen Zufallsdiensten für Lotterien und Blockchain-Anwendungen reichen.

Quelle: Anatoly Kulikov (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10521-8

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar