Att skapa perfekt slumpmässighet är förvånansvärt svårt. Inte ens moderna slumptalsgeneratorer genererar någonsin helt idealiska slumptal: små systematiska fel kan leda till att vissa tal förekommer något oftare än andra. För många tillämpningar spelar detta ingen roll. Inom kryptografi kan dock även de minsta avvikelserna vara problematiska.
Nu har forskare vid ETH Zürich under ledning av Renato Renner och Andreas Wallraff vid institutionen för fysik visat hur perfekt slumpmässighet faktiskt kan skapas med hjälp av kvantfysik. Deras resultat, som just har publicerats i Nature, utgör en milstolpe inom detta forskningsområde.
Förstärkning av slumpmässighet genom kvantmätningar
”Det kan verka konstigt, men det är nästan omöjligt att skapa ett perfekt mynt eller en perfekt tärning”, säger Renner. Oavsett hur symmetrisk och slät en tärning är tillverkad kommer en av dess sex sidor alltid att vända uppåt något oftare efter ett kast.
”Även moderna slumptalsgeneratorer, som baseras på kvantmekaniska effekter som reflektion av fotoner från stråldelare, är inte helt immuna mot ett sådant systematiskt fel eller ’bias’”, tillägger Wallraff. Men nu har Wallraffs och Renners team hittat ett sätt att ta ofullkomlig slumpmässighet och ändå extrahera perfekt slumpmässiga tal ur den. De kallar sin metod för slumpmässighetsförstärkning.
”Detta möjliggjordes av ett förbättrat så kallat Bell-test med både hög kvalitet och hög datahastighet”, säger Wallraff.
Andreas Wallraff och Renato Renner (från vänster till höger) bredvid den 30 meter långa länken som förbinder två kvantchips. Med hjälp av detta experiment genererade ETH-forskarna för första gången certifierad perfekt slumpmässighet.
Källa: Kilian Kessler / ETH Zürich
Han och hans kollegor använder en komplex uppställning som består av två superledande chip, som de kyler ner till mycket låga temperaturer nära absolut noll. Varje chip representerar en kvantbit eller qubit, som kan anta tillstånden ”0” eller ”1” eller vilken godtycklig superposition av dessa tillstånd som helst. En 30 meter lång slang, som också är nedkyld, förbinder de två chipen.
Mikrovågsfotoner kan flyga fram och tillbaka mellan dem och därmed skapa kvantmekanisk sammanflätning. Detta innebär att en kvantmätning på en kvantbit, som slumpmässigt ger värdena ”0” eller ”1”, automatiskt och på avstånd påverkar om ”0” eller ”1” mäts på den andra kvantbiten. Avståndet på 30 meter säkerställer att ingen information kan utbytas mellan kvantbitarna under mätningen, inte ens med ljusets hastighet. Detta skulle störa den perfekta slumpmässigheten.
Slumpmässigt för all evighet
Wallraff och hans team valde den exakta typen av mätning (eller ”mätbasis” i fackjargong) på de två kvantbitarna beroende på en ofullkomlig slumptalsgenerator. Renners medarbetare kunde sedan förstärka slumpmässigheten i mätresultaten ytterligare med hjälp av en speciell algoritm.
”Den resulterande sekvensen av nollor och ettor är nu verkligen helt slumpmässig, och vi kan till och med intyga det”, säger Renner. Han liknar detta resultat vid att passera en bergskam: ”De tekniska förbättringarna gjorde det möjligt för oss att för första gången skapa slumptal som förblir fullständigt slumpmässiga för all evighet – oavsett vilka analysmetoder som används för att bedöma deras slumpmässighet.”
En atomur för slumpmässighet
På lång sikt kan detta arbete spela en liknande roll inom digital säkerhet som atomur gör för tidsmätning: en fysiskt certifierad källa till slumpmässighet som andra system kan lita på. Möjliga tillämpningar sträcker sig från kryptering av känslig kommunikation och digitala identiteter till offentliga slumpgenereringstjänster för lotterier och blockkedjetillämpningar.
Sådana metoder kan också bli avgörande för kvantsäkra kommunikationssystem. Detta beror på att även de starkaste kryptografiska metoderna endast är så säkra som de slumptal de bygger på: ju bättre slumpmässigheten är, desto mer robust blir krypteringen – om den är svag blir hela systemet sårbart.
Publikationsuppgifter
Anatoly Kulikov, Experimental randomness amplification, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10521-8. www.nature.com/articles/s41586-026-10521-8
