Descripció del projecte
Els generadors de nombres aleatoris (RNGs) són essencials per a diverses aplicacions en computació i criptografia. Els RNG tradicionals es basen en algorismes deterministes que generen seqüències de nombres que semblen aleatoris, però que no són realment aleatoris. La teoria quàntica, d’altra banda, és inherentment aleatòria. Aquest fenomen fonamental, aprofitat a través de diferents protocols i esquemes, és la característica diferenciadora clau dels generadors de nombres aleatoris quàntics (QRNGs) [1-3].
Els QRNGs del món real tenen imperfeccions. Diferents fonts de soroll produeixen una aparent aleatorietat que no és intrínseca a la teoria quàntica. Afortunadament, el formalisme quàntic permet la quantificació adequada de l’aleatorietat intrínseca únicament a partir d’una caracterització tomogràfica dels estats i mesures quàntics intervinents [4]. La capacitat de quantificar la impredictibilitat en els bits que generen, juntament amb les velocitats d’alta velocitat que aconsegueixen, ha provocat una indústria de QRNG en creixement.
La caracterització de nivell tomogràfic en aquests QRNGs dependents de dispositius de primera generació és, però, una suposició feta durant la fase de modelatge que no es pot provar durant l’operació. Al seu torn, el monitor de maquinari ha d’estar al seu lloc per comprovar que els paràmetres del model assumit estan en rang, posant una càrrega en la lògica de control. Afortunadament, a partir dels treballs fonamentals que utilitzen Bell nonlocality (vegeu, per exemple, [4]), es va trobar que la mecànica quàntica proporciona la capacitat de certificar la generació de nombres aleatoris únicament a partir de l’observació de certes correlacions estadístiques en el resultat d’una font d’entropia quàntica. Els protocols que aprofiten aquest avantatge quàntic es denominen “autocomprovació” i abasten les classes ben conegudes d’enfocaments de modelatge semi-independents de dispositiu i independents de dispositiu (vegeu, per exemple [5]).
No obstant això, els protocols de nombres aleatoris quàntics d’última generació tenen un inconvenient significatiu: la latència. En definitiva, això significa que s’ha de generar un nombre significatiu de bits abans que es pugui fer una reclamació no trivial sobre la seva seguretat. Això implica que les aplicacions d’usuari que requereixen un nombre de bits per sol·licitud que estan per sota d’aquest límit inferior han d’incórrer igualment en un temps d’inactivitat, limitant la seva taxa. Naturalment, això està impedint que la indústria adopti aquest enfocament millor (des d’un punt de vista teòric-informatiu).
És en aquest context, intermedi entre la recerca acadèmica pura i l’aplicació industrial directa, en el qual s’emmarca el treball associat a aquest doctorat. En particular, l’objectiu d’aquest doctorat industrial és dissenyar un protocol d’autoavaluació de baixa latència de generació quàntica de nombres aleatoris. Per assolir aquest objectiu, ens centrarem en aprofitar els desenvolupaments recents en marcs de prova de seguretat, que prometen oferir un rendiment de mida finita molt més alt que l’estat de la tècnica (vegeu, per exemple, [6]). A més, aquest projecte requerirà el desenvolupament d’algorismes per calcular les taxes d’aleatorietat proporcionades pel protocol. Finalment, ja que ens dirigirem a implementacions fotòniques integrades [8] (una àrea clau en el full de ruta de l’empresa), es durà a terme una forta col·laboració amb experts fotònics de la divisió òptica de Quside. Esperem que aquestes contribucions impactin en altres subcamps de la criptografia quàntica, més enllà de QRNGs.
Bibliografia seleccionada:
[1] Mitchell, M. W., Abellan, C., & Amaya, W. (2015). Strong experimental guarantees in ultrafast quantum random number generation. Physical Review A, 91(1), 012314.
[2] Abellán, C., Amaya, W., Mitrani, D., Pruneri, V., & Mitchell, M. W. (2015). Generation of fresh and pure random numbers for loophole-free Bell tests. Physical review letters, 115(25), 250403.
[3] Senno, G., Strohm, T., & Acín, A. (2022). Quantifying the intrinsic randomness of quantum measurements. Physical review letters, 131, 130202.
[4] Pironio. S, Acín, A., Boyer de la Giroday, A, et al. Random numbers certified by Bell’s theorem. Nature, 464, 1021–1024 (2010).
[5] Van Himbeeck, T., Woodhead, E., Cerf, N. J., García-Patrón, R., & Pironio, S. (2017). Semi-device-independent framework based on natural physical assumptions. Quantum, 1, 33
[6] Arqand, Amir, Thomas A. Hahn, and Ernest Y-Z. Tan. “Generalized R\’enyi entropy accumulation theorem and generalized quantum probability estimation.” arXiv preprint arXiv:2405.05912 (2024).
[7] Pelucchi, E., Fagas, G., Aharonovich, I., Englund, D., Figueroa, E., Gong, Q., & Jöns, K. D. (2022). The potential and global outlook of integrated photonics for quantum technologies. Nature Reviews Physics, 4(3), 194-208
