Das Ergebnis von Quantenexperimenten ist von Natur aus unvorhersagbar. Jetzt haben Physiker diese Eigenschaft mit Blockchain-Techniken kombiniert, um erstmals Zufallszahlen in einem völlig transparenten Prozess zu erzeugen. Ihre Ergebnisse stellen sie in der Fachzeitschrift »Nature« vor.

Zufallszahlen werden in verschiedensten Anwendungen genutzt, etwa für Lotterien, die Auswahl von Geschworenen oder die Zuweisung von Placebos in klinischen Studien. Ein Verfahren, das nicht nur wirklich zufällige Zahlen erzeugt, sondern dies auch auf nachvollziehbare Weise tut, kann zu mehr Vertrauen bei einem solchen Prozess führen, sagen die Forschenden, die das neue System entwickelt haben.

Ihr Ansatz baut auf einer quantenphysikalischen Technik zur Erzeugung von Zufallszahlen auf, die erstmals im Jahr 2018 von der US-Standardisierungsbehörde National Institute of Standards and Technology (NIST) vorgestellt wurde. Hierzu verwendet man ein Gerät, das verschränkte Photonenpaare erzeugt – das heißt die Teilchen haben einen gemeinsamen Quantenzustand. Die beiden Photonen werden an je eine von zwei Messstationen geschickt, die 90 Meter voneinander entfernt sind. Dort werden ihre Polarisationen erfasst und als 0 oder 1 gespeichert.

Die so erzeugten Zahlenfolgen sind zufällig, denn laut Quantenphysik weisen die Photonen bis zu ihrer Messung keine eindeutige Polarisation auf. Das Ergebnis der Messung ist völlig zufällig. Entscheidend ist dabei, dass die Art der Messungen an jedem Detektor ohne Absprache zufällig gewählt wird. Die Ergebnisse werden dann unabhängig von Geräten an der University of Colorado auf der anderen Seite der Stadt überprüft.

Manipulationssicheres Verfahren

In der jüngsten Erweiterung dieses Systems hat das Team es nun Dritten ermöglicht, den Prozess zu überprüfen. Dafür haben sie jeden Schritt der Messung mit Hilfe von Blockchain-Technologien zeitlich protokolliert. Einen Manipulationsversuch könnte jeder wahrnehmen, der auf die öffentlich zugänglichen Daten zugreift.

Das Team hat auch die Effizienz des Systems erheblich verbessert. »In unserem Experiment erzeugen wir 512 Bits in etwa 20 Sekunden«, sagt der Physiker Krister Shalm vom NIST. »2018 dauerte das zehn Minuten.«

Im Frühjahr 2025 hatte eine andere Forschungsgruppe bereits gezeigt, dass auch Quantencomputer Zufallszahlen erzeugen können. Diese Technik sei sehr schön und könnte einfacher zu implementieren sein als das auf Verschränkung basierende Experiment des NIST, sagt der Mathematiker Peter Brown, der bei Quriosity arbeitet, einem Forschungszentrum für Quantenkryptografie in Paris. Aber im Moment ist das NIST-System das einzige, bei dem der Prozess vollständig rückverfolgbar ist.

»Es gibt einige sehr schöne Anwendungen für Zufallszahlen, bei denen eine nachträgliche Validierung durchaus wichtig ist«, sagt Brown. So könne zum Beispiel jeder, der als Geschworener ausgewählt wird, überprüfen, ob seine Auswahl wirklich dem Zufallsprinzip unterlag.