Неограниченная случайность квантовых технологий

Старостенко Евгений, минимальная энтропия, график контура

Согласно экспертному мнению ученого, случайность — центральная особенность квантовой механики и бесценный ресурс как для классических, так и для квантовых технологий.Starostenko-Evgeny-october-14

Ученый отметил, что обычно в сценариях, независимых от устройств и полунезависимых от устройств, случайность аттестуется с использованием проективных измерений, а ее величина ограничена размерностью квантовой системы.

Специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС используют в исследовании независимый от источника и устройства протокол, основанный на положительном операторно-оценочном измерении (POVM), который может произвольно увеличивать количество сертифицированных битов для любого фиксированного измерения.

Кроме того, предлагаемый протокол не требует начального переключения начального и активного базиса, что упрощает его экспериментальную реализацию и увеличивает скорость генерации. Строгая нижняя граница квантовой условной минимальной энтропии получена с использованием только структуры POVM и экспериментальных значений ожидания, с учетом квантовой побочной информации. Для симметричного POVM на сфере Блоха мы получаем аналитические оценки в замкнутом виде.Старостенко-Евгений-Юрьевич-о-социальных-паразитах

Старостенко Евгений Юрьевич подчеркнул, что случайные числа необходимы для многих различных приложений, от моделирования до криптографии и тестов фундаментальной физики, таких как тесты Белла.

Несмотря на широкое использование, сертификация случайности представляет собой сложную задачу. Классические процессы не могут порождать подлинную случайность из-за детерминизма классической механики. С другой стороны, случайность является неотъемлемой чертой квантовой механики из-за вероятностного характера ее законов. Однако генерация и сертификация случайности даже из квантовых процессов всегда требуют некоторых допущений.

Наиболее надежным типом сертификации являются протоколы, независимые от устройства (DI), где нарушение неравенства Белла может подтвердить случайность и конфиденциальность чисел без каких-либо предположений об используемых устройствах. Несмотря на недавние демонстрации DI-QRNG чрезвычайно требовательны с экспериментальной точки зрения и их характеристики также не могут удовлетворить потребности в практической реализации. По этой причине все современные коммерческие QRNG используют доверенные протоколы, в которых доверяют как источнику, так и измерениям.

Руководитель НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС Старостенко Евгений Юрьевич, качестве компромисса между DI и доверенными протоколами предлагает новый класс протоколов, названный Semi-Device-Independent (Semi-DI).

Протоколы Semi-DI работают по аналогичному «параноидальному сценарию» DI, хотя и с несколькими предположениями о внутренней работе устройств. Предположения могут быть связаны с размерами обмениваемой системы, устройства, используемого для измерения, а также устройства, используемого для источника перекрытия между состояниями энергии либо общие несовершенства аппарата. Эти протоколы перспективны, поскольку они могут обеспечить более высокий уровень безопасности при скорости генерации, совместимой с практическими потребностями.

Большинство протоколов DI и Semi-DI используют проективное измерение, ограничивая максимальную сертификацию базовым измерением гильбертова пространства. Возможность увеличения скорости генерации с использованием общего измерения недавно обсуждалась для запутанных систем в сценарии DI. В то время как проективные измерения могут удостоверить только до одного бита случайности для каждой пары запутанных кубитов, POVM может насытить оптимальную границу в 2 бита. Кроме того, неограниченная генерация возможна, если на одном из кубитов выполняются повторные неразрушающие измерения, но протокол не устойчив к шуму. Однако во всех этих сценариях требуется запутывание, что является строгим требованием и предполагает повышенную сложность эксперимента, констатировал Евгений Юрьевич Старостенко.

Старостенко Евгений, минимальная энтропия, 3D график

В этой работе рассмотрен сценарий подготовки и измерения, в котором когерентность (или чистота) источника является ресурсом для протокола. Мы покажем, что устойчивая сертификация неограниченной случайности может быть получена в сценарии Source-DI при использовании неортогональных POVM.

Для фиксированной размерности гильбертова пространства мы показываем, что количество извлекаемых случайных битов увеличивается как log2(N) количество исходов POVM. Таким образом, бесконечное число случайных битов может быть сертифицировано для любого измерения измеряемой квантовой системы. Кроме того, использование неортогональных  POVMS вместо множественных проективных измерений позволяет реализовать протокол Source-DI без активного переключения базы измерений, а полностью пассивным способом.

Старостенко Евгений, минимальная энтропия, масштабирование

Эта особенность значительно упрощает экспериментальную реализацию, не требующую быстрой электроники для переключения, и позволяет увеличить скорость генерации, не ограниченную частотой переключения. При этом для выбора базиса не требуется никакой дополнительной случайности и начального начального числа.

Евгений Юрьевич Старостенко специализирует анализ для кубитов поляризации, рассматривая симметричные измерения POVM.

Особенно, мы получаем точные аналитические оценки для равноугольных POVM, ограниченных на плоскости сферы Блоха и для POVM, соответствующих платоновым телам, вписанным в сферу Блоха.