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Quantenmechanik: Der schnellste Zufallszahlengenerator, der je gebaut wurde

Mit einem einfachen Laser hat ein Team eine Quantenzufälligkeit mit einer Rate von 250 Billionen Bits pro Sekunde erzeugt. Diese Fliege machte es möglich.
Ein bügelförmiger Halbleiter erzeugt einen Laserstrahl mit zufällig schwankender Intensität. (Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme)Laden...

Mit einem einfachen Laser hat ein Team den schnellsten Zufallszahlengenerator geschaffen, der je gebaut wurde. Er nutzt Schwankungen in der Intensität des Lichts, um Zufälligkeit zu erzeugen – eine begehrte Ressource für Datenverschlüsselung und wissenschaftliche Simulationen, wie eine Physikerin und Kollegen im Magazin »Science« berichtet. Die Entwicklung könnte zu Geräten führen, die klein genug sind, um auf einen einzigen Computerchip zu passen.

Echte Zufälligkeit ist erstaunlich schwer zu erreichen. Algorithmen in herkömmlichen Computern können Zahlenfolgen erzeugen, die zunächst zufällig erscheinen, aber mit der Zeit Muster aufweisen. Das macht sie zumindest teilweise vorhersehbar und damit anfällig für eine Decodierung.

Um die Verschlüsselung sicherer zu machen, haben sich die Forscher der Quantenmechanik zugewandt. Dort garantieren die Gesetze der Physik, dass die Ergebnisse bestimmter Messungen – etwa beim Zerfall eines radioaktiven Atoms – wirklich zufällig sind.

Licht soll schwanken

Ein beliebter Weg, sich die Quantenzufälligkeit zu eigen zu machen: die Fluktuationen jener Lichtteilchen ausnutzen, welche von dem Lasermaterial emittiert werden. Typische Lasergeräte sind so konstruiert, dass sie Fluktuationen minimieren, um Licht mit gleich bleibender Intensität zu erzeugen. Sie lassen die Lichtwellen im Material hin und her springen, um die Atome zu zwingen, mehr und mehr Photonen synchron zu emittieren.

Doch bei der Erzeugung von Zufallszahlen streben die Forscher das Gegenteil an. »Wir wollen, dass die Intensität zufällig schwankt, damit wir die Intensität digitalisieren können, um Zufallszahlen zu erzeugen«, sagt Hui Cao, Mitautorin der Studie und angewandte Physikerin an der Yale University in New Haven, Connecticut.

Cao und ihr Team haben ihr Lasermaterial in der Form einer Fliege hergestellt. Es ist ein lichtdurchlässiger Halbleiter. Photonen prallen zwischen den gekrümmten Wänden der Fliege mehrfach ab, bevor sie als gestreuter Strahl wieder herauskommen. Die Wissenschaftlerin und ihre Kollegen können das Licht dann mit einer ultraschnellen Kamera einfangen. Sie zeichneten die Lichtleistung von 254 unabhängigen Pixeln auf, die zusammen Zufallsbits mit einer Rate von etwa 250 Terabit pro Sekunde, also 250 Terahertz erzeugten. Das ist um mehrere Größenordnungen schneller als frühere Geräte dieser Art, die jeweils nur ein Pixel aufnahmen.

Die Erfindung »stellt einen großen Sprung in der Leistung von Zufallszahlengeneratoren dar«, sagt Krister Shalm, ein Physiker am US National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado.

Die schnellsten existierenden Prozessoren haben Taktgeschwindigkeiten, die in Gigahertz gemessen werden. Das aber ist viel zu langsam, um die volle Leistung von Caos Gerät auszunutzen. Der Aufbau ließe sich verkleinern, indem man an Stelle einer Hochgeschwindigkeitskamera einfachere Lichtdetektoren verwendet. Dies könnte Geräte ermöglichen, die klein genug sind, um auf einen einzigen Computerchip zu passen, sagt Cao. Was wiederum die Verschlüsselungstechnologie auf Mobiltelefonen verbessern könnte.

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