На перший погляд випадковість здається чимось буденним. Ми щодня підкидаємо монету, кидаємо гральні кістки або користуємося генераторами випадкових чисел у комп’ютерах. Проте для фізиків і фахівців із кібербезпеки справжня випадковість є однією з найскладніших проблем сучасної науки.
Група дослідників зі швейцарського федерального технологічного інституту ETH Zurich повідомила про досягнення, яке багато хто вважає історичним. Вченим вдалося створити систему, що генерує випадкові числа, непередбачуваність яких можна математично довести. Дослідження було опубліковано в журналі Nature.
Чому справжня випадковість така важлива
Більшість сучасних систем захисту даних ґрунтується саме на випадкових числах. Вони використовуються для створення паролів, криптографічних ключів, кодів автентифікації та інших механізмів безпеки.
Проблема полягає в тому, що більшість так званих «випадкових» чисел насправді генеруються алгоритмами. Якщо знати принцип роботи такого алгоритму або знайти помилку в ньому, можна передбачити результат.
Саме через це в останні роки неодноразово виникали серйозні проблеми. Наприклад, у 2024 році було виявлено вразливість у популярному SSH-клієнті PuTTY, пов’язану з генерацією випадкових чисел для криптографічних підписів. А у 2025 році фахівці знайшли помилку в одному з механізмів процесорів AMD, через яку система могла видавати передбачувані значення, помилково вважаючи їх випадковими.
Квантова механіка приходить на допомогу
Щоб розв’язати проблему, дослідники звернулися до одного з найдивовижніших явищ квантової фізики — квантової заплутаності. Для експерименту було створено пару квантових бітів (кубітів), які перебували в заплутаному стані. Вони були розміщені на відстані 30 метрів один від одного та охолоджені майже до абсолютного нуля.
Заплутані частинки поводяться так, що результати їхніх вимірювань виявляються пов’язаними між собою способом, який неможливо пояснити класичною фізикою. Саме ця властивість дозволила науковцям отримати справді непередбачувані результати.
Понад мільярд перевірок за дев’ять годин
Команда використала так званий тест Белла — один із найважливіших експериментальних інструментів квантової фізики.
Завдяки суттєвому вдосконаленню обладнання дослідники змогли провести понад мільярд окремих тестів протягом приблизно дев’яти годин. Отримані кореляції між кубітами виявилися настільки сильними, що їх не можна пояснити прихованими закономірностями або заздалегідь запрограмованою поведінкою системи.
Інакше кажучи, результати дійсно були випадковими у фундаментальному сенсі цього слова.
Від недосконалої випадковості до ідеальної
Особливістю нового підходу стало те, що він не потребував ідеально випадкових початкових умов. Попередні квантові генератори випадкових чисел покладалися на припущення, що стартові дані вже є достатньо випадковими. Нова система працює інакше: вона бере випадковість із певними недоліками або прихованими зміщеннями та перетворює її на повністю сертифіковану випадковість.
Науковці називають цей процес «підсиленням випадковості». Цікаво, що теоретично доведено: досягти такого результату за допомогою лише класичних методів неможливо.
Незалежність від обладнання
Ще одна важлива перевага нової технології полягає в тому, що вона є незалежною від конкретного пристрою.
У звичайних системах користувачеві доводиться довіряти апаратному забезпеченню. Якщо виробник допустив помилку або пристрій був скомпрометований, випадковість може виявитися ілюзією. У новій системі гарантією служать не характеристики обладнання, а фундаментальні закони квантової механіки, які були підтверджені під час експерименту.
Що це може дати в майбутньому
Дослідники вважають, що їхня розробка може стати своєрідним еталоном випадковості для всього світу — подібно до того, як атомні годинники сьогодні задають стандарт точного часу. Такі системи можуть використовуватися в державних структурах, фінансовому секторі, оборонній сфері, дата-центрах та будь-яких інших галузях, де від якості криптографії залежить безпека інформації.
За словами одного з авторів роботи Ренато Реннера, технічні вдосконалення вперше дозволили створити випадкові числа, які залишатимуться абсолютно випадковими незалежно від того, які методи аналізу будуть винайдені в майбутньому. Якщо подальші перевірки підтвердять результати експерименту, це стане одним із найважливіших досягнень квантової фізики останніх років та відкриє нову еру в розвитку цифрової безпеки.