Fotonem w hackerów. Polscy naukowcy stworzyli generator liczb losowych

Polscy naukowcy stworzyli unikatowy generator liczb losowych.

Liczby losowe stały się podstawą współczesnej kryptografii. Popyt na ich generatory nieustannie rośnie – w 2032 r. całkowita wartość tego rynku ma osiągnąć aż 4,44 mld dol. W tym wyścigu postanowili wziąć udział również naukowcy z Uniwersytetu Gdańskiego, którzy stworzyli generator, jakiego nie ma nikt na świecie.

Praktycznie każdy rodzaj cyfrowej komunikacji – rozmowy telefoniczne, SMS-y czy e-maile – jest zabezpieczony za pomocą liczb losowych. Są one także niezbędne do tego, by móc organizować loterie oraz gry hazardowe. Jeśli liczby są poprawnie wygenerowane – w taki sposób, by nikt nie mógł ich odgadnąć – to nie musimy się obawiać, że ktoś podsłucha naszą rozmowę, włamie się na nasze konto bankowe lub oszuka loterię. Niestety, w praktyce urządzenia generujące liczby losowe są podatne na awarie lub ataki hackerskie i stanowią drugą (po czynniku ludzkim) największą słabość systemów zabezpieczeń.

– Nasz generator to niewielkie urządzenie fizyczne pasujące do standardowej szafy serwerowej. Śrubki montażowe są w niej co 2–3 cm, więc nasz aparat zajmuje w niej dwie pozycje – zachwala wynalazek dr hab. Marcin Pawłowski z Uniwersytetu Gdańskiego, który opracował urządzenie przy współpracy z Gustavo Limą z chilijskiego Universidad de Concepcion. – Nie istnieje metoda pozwalająca na sprawdzenie, czy dane liczby są rzeczywiście losowe. Co więcej mamy matematyczny dowód, że takiej metody po prostu nie da się stworzyć. Obchodzimy ten problem poprzez testowanie, zamiast samych liczb, procesu, który je generuje. Takie testy są możliwe tylko przy wykorzystaniu praw mechaniki kwantowej: jedynej teorii fizycznej dopuszczającej prawdziwą losowość. My konkretnie wykorzystujemy superpozycję – tłumaczy Pawłowski.

Pomysł wykorzystania superpozycji – tego, że cząstka może się znajdować w co najmniej dwóch miejscach w tym samym czasie, my zaś możemy określić jedynie prawdopodobieństwo znalezienia jej w danym miejscu, ale dopóki nie dokonamy pomiaru, to nie mamy pewności, gdzie cząstka jest – do generowania liczb losowych nie jest nowy. Przy tej metodzie pojawia się jednak problem sprawdzenia tego, czy superpozycja jest zbalansowana; innymi słowy: czy prawdopodobieństwo wypadnięcia orła i reszki jest takie samo. – Wcześniejsze rozwiązania wykorzystywały w tym celu splątanie kwantowe, co powodowało, że urządzenia były bardzo drogie, powolne i zbyt duże do zastosowania w praktyce – dodaje naukowiec.

Polski generator te problemy rozwiązuje – wysyła pojedyncze fotony na specjalne lusterko. Foton albo się od niego odbije, albo przez nie przeleci – i trafi do detektora. Wtedy generowana jest 1 albo 0, cyfry będące podstawą zapisu liczb w systemie binarnym. Potem urządzenie sprawdza, jakie jest prawdopodobieństwo, że foton mógł się odbić od lusterka lub przez nie przelecieć. Jeśli jest ono równe, to proces generowania liczb pozostaje niezakłócony; jeśli nie jest – oznacza to, że coś stara się wpływać na działanie generatora. – Urządzenie informuje o tym i samo próbuje skorygować błędy. To jedyny na świecie tego typu aparat, który takie coś potrafi – tłumaczy Pawłowski.

Generator nie służy jedynie do zabezpieczania tajnych dokumentów czy kluczowych systemów komputerowych. Jak wyjaśnia jego twórca, takie urządzenie może się przydać organizatorom gier liczbowych. Dzięki temu, że jest w stanie wytworzyć liczby, których nikt nie jest w stanie przewidzieć, sprawdza się doskonale we wszelkiego typu loteriach.

Urządzenie trafia już do pierwszych klientów. Ze względu na to, że jako jedyne na świecie spełnia wszystkie rygorystyczne wymagania najwyższej klasy bezpieczeństwa, nie jest to tania rzecz. Generator kosztuje bowiem ok. 50 tys. dol. ©℗

Łamigłówka dla prawa patentowego

Czy możemy mieć pewność, że generowane komputerowo liczby losowe faktycznie są niemożliwe do odgadnięcia? To pytanie, na które matematyka z założenia nie może dostarczyć odpowiedzi – sprowadzenie problemu do jakiegokolwiek wzoru wyklucza istotę losowości.

Naukowcy z Uniwersytetu Gdańskiego rozwiązanie odnaleźli w fizyce kwantowej. Rzut monetą został przez nich sprowadzony do pomiaru pozycji pojedynczego fotonu. Co więcej, twórcy dzięki analizie interferencji pojedynczych fotonów są w stanie zweryfikować, czy na pewno udaje się zachować pełną losowość generowanych liczb.

Założenia współczesnego systemu ochrony patentowej były tworzone ponad 100 lat temu. Wówczas „techniczny charakter” patentowanych rozwiązań był intuicyjnie wiązany z namacalnością konkretnego mechanizmu. Uważano, że odkrycia naukowe oraz metody matematyczne nie powinny podlegać monopolizacji poprzez ochronę patentową. Przez lata podobnie postrzegano programy komputerowe. Ale przemysł w coraz większym stopniu wykorzystuje systemy cyber fizyczne. Prawo patentowe ulega więc stopniowemu dostosowywaniu do współczesnych potrzeb. Zwłaszcza Europejski Urząd Patentowy ma w tym zakresie ugruntowane orzecznictwo podsumowane w formie rozbudowanych wytycznych.

Kryptografia jest ciekawym przykładem połączenia informatyki, inżynierii i matematyki. Istota wynalazku naukowców z Uniwersytetu Gdańskiego opiera się na aspekcie inżynierskim – stosowane oprogramowanie i dokonywane analizy matematyczne są powiązane z fizycznymi układami składowymi opracowanego urządzenia. Dzięki temu rozwiązanie może zostać uznane za techniczne w rozumieniu prawa patentowego. ©℗