Vědci zkrotili náhodu. Kryptografie slaví, chaos přišel o poslední výmluvu
Vědci z ETH Zürich vyvinuli systém pro generování dokonale náhodných čísel. Náhoda dostala certifikát a podvodníci důvod k nervozitě.
Magazín OSEL.cz informoval o výzkumu týmu ETH Zürich vedeného Andreasem Wallraffem, který představil metodu generování fyzikálně certifikovaných náhodných čísel pomocí dvojice kvantově provázaných supravodivých čipů. Pokud se jejich závěry potvrdí v dlouhodobé praxi, může jít o jeden z nejvýznamnějších posunů v oblasti kryptografie a bezpečné digitální komunikace za poslední roky.
Náhoda je zvláštní tvor. V běžném životě ji lidé potkávají na každém kroku, ale jakmile ji chtějí uzamknout do počítače, začne dělat problémy. Programátoři, matematici i kryptografové se už desítky let snaží vytvářet čísla, která budou skutečně náhodná. Jenže většina generátorů ve skutečnosti pouze velmi dobře předstírá náhodnost. Na první pohled vše funguje dokonale, ale při dostatečně důkladné analýze se často objeví drobné odchylky a vzory.
Právě tyto drobnosti představují problém zejména pro kryptografii. Moderní šifrování stojí na předpokladu, že útočník nedokáže předvídat generovaná čísla. Jakmile se objeví i minimální předvídatelnost, vzniká potenciální slabina.
A historie už několikrát ukázala, že zdánlivě nepatrná chyba v generování náhodných čísel může vést ke kompromitaci bezpečnostních systémů.
Když nestačí ani kvantová náhoda
Andreas Wallraff a jeho kolegové se rozhodli zaměřit na problém, který mnozí považovali téměř za neřešitelný. Ani kvantové generátory náhodných čísel totiž nejsou automaticky dokonalé. Samotná kvantová fyzika sice pracuje s principy, které jsou považovány za fundamentálně náhodné, avšak reálné experimentální zařízení vždy obsahuje určité nedokonalosti.
Výzkumníci proto vytvořili systém, jak uvádí magazín OSEL.cz využívající dva supravodivé kvantové čipy fungující jako qubity. Tyto čipy pracují při teplotách blížících se absolutní nule, kde se projevují kvantové jevy potřebné pro celý experiment. Oba qubity propojuje třicetimetrová chlazená trubice, kterou mohou putovat mikrovlnné fotony. Právě prostřednictvím těchto fotonů vzniká kvantové provázání neboli entanglement. Tento jev patří mezi nejpozoruhodnější důsledky kvantové mechaniky. Stav jednoho qubitu je propojen se stavem druhého takovým způsobem, že měření jednoho okamžitě určuje výsledek druhého, přestože mezi nimi během samotného měření nemůže být přenesena žádná klasická informace.
Vědci následně využili postup označovaný jako zesilování náhodnosti. Z nedokonale náhodných vstupních dat dokázali pomocí speciálních algoritmů získat výstupy, které podle jejich analýz splňují nejpřísnější požadavky na skutečnou náhodnost. Jinými slovy, z materiálu, který nebyl perfektní, vytvořili něco výrazně kvalitnějšího.
Náhoda s certifikátem a budoucnost bez výmluv
Badatelé tvrdí, že výsledná čísla by měla zůstat dokonale náhodná i při použití analytických metod, které dnes ještě neexistují. Jde o mimořádně ambiciózní tvrzení, ale právě na podobných garancích stojí moderní bezpečnostní technologie.
Praktické využití může být velmi široké. Šifrovaná komunikace, digitální identity, elektronické podpisy, finanční systémy, blockchainové aplikace nebo zabezpečení státní infrastruktury – všechny tyto oblasti spoléhají na kvalitní zdroje náhodnosti. Pokud je základ šifrování slabý, nepomohou ani nejsofistikovanější algoritmy.
Význam tohoto výzkumu navíc přesahuje samotnou kryptografii. Náhodná čísla hrají zásadní roli také při vědeckých simulacích, modelování klimatu, vývoji léčiv, finančních analýzách nebo při testování umělé inteligence. Čím kvalitnější zdroj náhodnosti, tím přesnější mohou být výsledky těchto procesů.
Méně se přitom připomíná, že problematika náhodnosti zaměstnává vědce už desítky let. V minulosti se využívaly například radioaktivní rozpady, tepelný šum elektronických součástek nebo atmosférický šum. Každý z těchto přístupů měl své výhody i omezení. Kvantové technologie nyní představují další krok ve snaze přiblížit se ideálu, který byl ještě před několika lety považován za prakticky nedosažitelný. Zajímavé je také to, že podobné technologie budou stále důležitější s nástupem kvantových počítačů. Ty totiž mohou jednou prolomit část současných kryptografických metod. Současně ale právě kvantová fyzika nabízí nové způsoby ochrany dat, které jsou založené na fyzikálních zákonech, nikoli pouze na matematické obtížnosti výpočtů.
Výzkum ETH Zürich tak není jen dalším laboratorním experimentem pro úzkou skupinu specialistů. Dotýká se samotných základů digitální společnosti, která dnes stojí na důvěře v šifrování, autentizaci a bezpečný přenos informací.
Je přitom trochu ironické, že lidstvo strávilo desetiletí budováním stále chytřejších počítačů, aby nakonec s obdivem sledovalo dva extrémně podchlazené kvantové čipy, které možná zvládly něco, s čím si klasická technika dlouhodobě nevěděla rady. Zdá se, že i ve světě nejmodernějších technologií občas vítězí právě ta věc, kterou jsme se snažili zkrotit nejdéle – obyčejná náhoda.
