Metoda kwantowego generowania liczb losowych zwłaszcza w loteriach i grach hazardowych oraz urządzenie do kwantowego generowania liczb losowych

ZESPÓŁ AUTORSKI:

Uniwersytet Gdański

• Marcin Pawłowski UG - kierownik
• Gustavo Lima - Universidad de Concepcion (Chile)

CO MOŻNA OSIĄGNĄĆ DZIĘKI WYNALAZKOWI?

Liczby losowe są podstawą współczesnej kryptografii. Praktycznie każdy rodzaj komunikacji: rozmowy telefoniczne, SMSy, e-maile, przeglądarki internetowe jest obecnie zabezpieczony przy ich pomocy. Liczby losowe są również niezbędne w loteriach oraz grach hazardowych, które, ze względu na niższe wymagania odnośnie bezpieczeństwa, są naturalnym inkubatorem dla technologii generacji losowości. Jeśli są dobrze wygenerowane (czyli w sposób taki by nikt nie mógł ich zgadnąć) to nie musimy obawiać się, że ktoś podsłucha naszą rozmowę, włamie się na nasze konto bankowe lub oszuka loterię. Niestety w praktyce urządzenia generujące liczby losowe są bardzo podatne na awarie lub ataki hakerskie i stanowią obecnie drugą (po czynniku ludzkim) największą słabość systemów komunikacyjnych.
Nasz wynalazek wykorzystuje prawa mechaniki kwantowej aby automatycznie wykryć jakąkolwiek formę ataku lub awarii i natychmiastowo powiadomić o tym użytkownika. W dodatku jeśli skutki awarii lub ataku nie są zbyt silne jest on w stanie samodzielnie dokonać korekcji swojego zachowania i usunąć usterkę. Pozwala to na znaczące zwiększenie bezpieczeństwa każdej formy elektronicznej komunikacji.

ISTOTA WYNALAZKU

Zwiększające się zagrożenie cyberatakami, w tym skierowanymi bezpośrednio na generatory liczb losowych odpowiedzialne za tworzenie bezpiecznych haseł oraz kluczy kryptograficznych, stwarza potrzebę możliwości sprawdzania czy używany generator pracuje poprawnie. Niestety jest to bardzo trudne gdyż nie istnieje metoda pozwalająca na sprawdzenie czy dane liczby są rzeczywiście losowe. Co więcej, istnieje matematyczne dowód, że takiej metody nie da się stworzyć. Obchodzimy ten problem poprzez testowanie, zamiast samych liczb, procesu, który je wytwarza. Takie testy są możliwe tylko przy wykorzystaniu praw mechaniki kwantowej - jedynej teorii fizycznej dopuszczającej prawdziwą losowość.
Nasz wynalazek wykorzystuje dwie istotne właściwości mechaniki kwantowej: superpozycję i interferencję. Ta pierwsza umożliwia pojedynczemu fotonowi znajdowanie się w dwóch miejscach jednocześnie. Dopiero w chwili pomiaru foton "decyduje" się gdzie rzeczywiście się pojawi i ta "decyzja" jest zupełnie losowa. Nasz wynalazek wykorzystuje dwa niezależne detektory pojedynczych fotonów, z których jeden odpowiada "orłowi", a drugi "reszce". Pomiar fotonu jest więc równoważny rzutowi tą wirtualną monetą.
Pomysł wykorzystania superpozycji do generacji liczb losowych nie jest nowy. Pojawia się jednak problem sprawdzenia tego czy superpozycja jest zbalansowana - innymi słowy: czy prawdopodobieństwo wypadnięcia orła i reszki jest takie same. Wcześniejsze rozwiązania wykorzystywały do tego splątanie kwantowe co powodowało, że urządzenia były bardzo drogie, powolne i zbyt duże do zastosowania w praktyce. Nasz wynalazek wykorzystuje zamiast tego interferencję pojedynczych fotonów, czyli właściwość polegającą na tym, że foton "czuje" co dzieje się w obu miejscach, w których jednocześnie jest. Jeśli w jednym z nich jest "bardziej" interferencja zostaje zaburzona co natychmiast zostaje przez nasze urządzenie zarejestrowane. Jeśli to zaburzenie jest niewielkie urządzenie automatycznie koryguje swoją pracę tak aby produkowane przez nie liczby były w dalszym ciągu perfekcyjnie losowe. Jeśli to nie jest możliwe powiadamia użytkownika o krytycznej awarii i utracie możliwości bezpiecznej komunikacji.

POTENCJAŁ KOMERCJALIZACYJNY WYNALAZKU

Nasze urządzenie znajduje zastosowanie wszędzie tam gdzie już stosowane są generatory liczb losowych. Raport Inside Quantum Technology z 2022 identyfikuje następujące główne zastosowania: kwantowa kryptografia, hazard, IoT, telefonia komórkowa, przemysł samochodowy, usługi finansowe, wojsko i wywiad, centra danych oraz serwisy entropii (czyli serwisy internetowe sprzedające liczby losowe). Dodatkowo prawo wymusza stosowanie takich generatorów przy przetwarzaniu informacji zaklasyfikowanych jako tajne. Całkowita wartość rynku kwantowych generatorów liczb losowych w 2032 roku ma osiągnąć 4,44 mld USD.
W 2022 sprzedano pierwsze sztuki urządzenia opartego o nasz patent.