Robert Klatt
Zufallszahlen werden in unterschiedlichen Bereichen verwendet, etwa bei Verschlüsselungen. Bisher konnten aber noch keine perfekten Zufälle, ohne systematische Fehler erstellt werden. Die sogenannte „Zufallsverstärkung“ hat nun erstmals aus einem nicht perfekten Zufall eine perfekte Zufallszahl erstellt.
Zürich (Schweiz). Zufallszahlen werden in vielen Bereichen verwendet, etwa bei der Verschlüsselung von Daten, in der Teilchenphysik und in Klimamodellen. Die Technik, selbst moderne Zufallszahlengeneratoren auf Basis von quantenphysikalischen Prozessen, kann bisher aber noch keinen perfekten Zufall generieren. Die Zufallszahlen sind also nicht vollkommen unvorhersagbar, sondern enthalten minimale systematische Fehler, durch die einzelne Zahlen innerhalb einer Zahlenreihe öfter auftreten können.
„Selbst moderne Zufallsgeneratoren, die auf quantenmechanischen Effekten wie der Reflektion von Photonen an Strahlteilern beruhen, sind vor einem solchen systematischen Fehler oder ‹bias› nicht ganz gefeit.“
Ähnliches gilt auch für andere Verfahren, die ein zufälliges Ergebnis liefern sollen, etwa einen Münzwurf, dessen Wahrscheinlichkeit nicht bei 50:50 liegt.
„Es mag seltsam erscheinen, aber eine perfekte Münze oder einen perfekten Würfel herzustellen, ist praktisch unmöglich.“
Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) haben nun experimentell bewiesen, dass die Quantenphysik tatsächlich einen perfekten Zufall erzeugen kann. Ihre Methode, die aus einem nicht perfekten Zufall perfekte Zufallszahlen generiert, nennen die Forscher „Zufallsverstärkung“.
„Dies wurde möglich durch einen verbesserten sogenannten Bell-Test mit gleichzeitig hoher Qualität und hoher Datenrate.“
Das Experiment besteht aus zwei supraleitenden Chips mit jeweils einem Quanten-Bit (Qubit), das den Zustand „0“, „1“ oder eine Überlagerung dieser Zustände besitzt. Die Chips befanden sich nahe dem absoluten Nullpunkt und waren mit einem ebenfalls stark gekühlten Rohr miteinander verbunden, so dass sich Mikrowellenphotonen zwischen ihnen bewegen konnten, die eine quantenmechanische Verschränkung erzeugen. Die
Wie die Physiker erklären, beeinflusst eine Quantenmessung an einem Qubit, die einen Wert von „0“ oder „1“ ergibt, automatisch, ob am zweiten Qubit „0“ oder „1“ gemessen wird. Das lange Rohr stellt dabei sicher, dass die Qubits selbst mit Lichtgeschwindigkeit während der Messung Informationen austauschen können, die den perfekten Zufall stören würden. Im Experiment wurde die Messbasis an beiden Qubits von einem nicht-perfekten Zufallsgenerator bestimmt. Ein spezieller Algorithmus hat dabei die Zufälligkeit der Messergebnisse erhöht.
„Die daraus erzeugte Abfolge von Nullen und Einsen ist jetzt wirklich perfekt zufällig, und das können wir sogar zertifizieren. 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.“
Laut den Wissenschaftlern sind die perfekten Zufallszahlen für viele Techniken ähnlich bedeutend wie die Entwicklung von Atomuhren für die Zeitmessung. Es ist denkbar, dass sie in Zukunft bei quantensicheren Kommunikationssystemen und ähnlich sensitiven Verfahren verwendet wird.
Quellen:
Pressemitteilung der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich)
Studie im Fachmagazin Nature, doi: 10.1038/s41586-026-10521-8