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你的手机相机,其实也是一台量子随机数发生器

2014-05-22 09:03:32

[导读]  物理学家近日发现了使用一台诺基亚 N9 智能手机来生成量子随机数的机制。这个发现将有可能对信息安全领域带来又一次重要的技术变革。

   物理学家近日发现了使用一台诺基亚 N9 智能手机来生成量子随机数的机制。这个发现将有可能对信息安全领域带来又一次重要的技术变革。

  随机数字对你来说或许只是你突然想到的一组数字,但你不知道的是,随机数字对于每个人的工作和生活,都具有非常大的重要性。如果你在网上进行消费,或者使用某种密保设备来登录某个网络游戏,实际上你只是一套按顺序连贯的随机数字的使用者。

  而量子加密法的诞生,将信息安全又提升到了新的高度。量子加密法能够提供几乎无法攻破的加密程度,不过同时也需要巨量的随机数字来工作。

  但量子加密法现在仍然有难题未得以解决:「真正」的随机数字非常难以生成。量子随机数不能通过确定性流程生成,比如电脑程序。因为这种确定性的流程,可以通过重复生成已经生成过的数字,来轻易地被重新复制,毕竟整个流程不是随机的。

  因此,物理学家花费了非常长的时间,来寻找使用非确定性流程来诞生真正的「随机」的数字的机制。目前,最高等级的加密技术就是量子随机数发生器——一种利用了量子机制的概率性,来生成一系列完全随机,或者说在目前随机性最好的数字。

  不过别以为问题就此解决了:量子随机数发生器是一种非常复杂且昂贵的设备。物理学家的研究重心从找到一种方法,转变为找到更实惠的方法。

  近日,瑞士日内瓦大学以 Bruno Sanguinetti 为首的一群研究者,发现了怎样通过一款普通的智能手机来生成纯正的量子随机数的方法。他们表示,这种新的技术将能够以每秒 1Mbps 的速率生成量子随机数,对于大部分安全应用场合来说绝对够用了。

  

 

  而这个量子随机数的具体生成过程,复制了光源产生光子的过程。因为每一次的光子发生都是一个量子过程,因此瞬时的光子产生过程是完全无法被预测的。因此,光源在某段固定时间内能够产生的光子数量,是完全随机的。

  以上就是这项新技术的基础。Sanguinetti 和他的同事指出,智能手机的摄像头技术,在近几年发展非常快,现在已经可以使用探测到的光子数量来界定量子变化。

  

他们使用了一台诺基亚 N9 作为测试机。这是一台拥有 800 万像素背照,并且运行诺基亚 Meego 操作系统的智能手机。并且,作为性能的比照,他们使用了一台单色 CCD 阵列式天文用相机——ATIK 383L 相机,同样拥有 800 万像素。

 

  整个实验的设置在原理上相当简单:每一个像素能够感应在一段固定时间内光子经过的数量。这些光子随后被转化成电子,通过相机的 ISO 设置进行增强。

  然后,研究人员直接计算电子产生的平均数量即可。考虑到光子放射出的数量是具有概率性的,产生的电子数量也将使随机的。由于光感阵列的像素是呈多行排列的,也就是说一张照片产生的随机数的量,将会是非常庞大的。

  实际操作步骤:第一步,用绿色 LED 向镜头打光,用来界定光感水平(ISO)。通过这个步骤,团队可以了解点亮一个像素点所需要的光子量,并且调教设备,保证在正式进行量子随机数生成的时候不会发生完全点亮的现象(否则结果就不是随机的了)。

  根据测试的结果,团队发现,点亮一个诺基亚手机照相机中像素点所需的电子(光子)数大约为 410 个,而作为比对的 ATIK 相机则需要大约 15000 个。而控制光子量的方法很简单——控制曝光时间。

  

 

  好的,整个流程讲完了……

  我们再复习一遍:步骤 1,把一个能够均匀点亮所有像素点的 绿色 LED 对准镜头;步骤 2,按下快门键。然后,你就能够生成一大堆量子随机数了。

  然而事情没说得这么简单。首先,界定一个随机数发生器是否真的随机,是非常难的事。为什么?你用什么理由和逻辑来证明一组数字是完全随机的呢?怎么证明呢?这是一个无法自证的问题。

  不过 Sanguinetti 能够证明的是,这组数字已经非常接近随机。据他们的透露,在整个流程需要「10 的 118 次方」次的重复发生之前,将不会查出任何超越随机概率的事件发生。「假设全世界的所有人都以 1Gbps 的数据生成速率,来不间断地使用这个随机数发生器,想要找到超越随机事件之外的可循逻辑,将会需要 10 的 80 次方倍的宇宙迄今寿命的时间。」

  那么一台每秒钟能进行多少兆亿次的计算机破解这个随机序列,需要多少时间?或许没人会在乎这个问题的答案……人们在乎的,是只要拥有一台智能手机,一个应用,人人都能生成数量几乎无穷尽的随机数字序列了。Sanguinetti 表示:「我们相信,如此一个效率之高,使用难度之低的随机数发生器,将会使得大范围的量子随机数使用成为现实。」

  

 

  而该技术首先就可以被应用到安全领域当中。在密码编译学中有一条十分经典的概念,叫做科克霍夫原则,也称作公开密码算法。该原则规定,所有的算法都必须是公开的,而密钥承载的信息除外,必须保密。

  应用方式非常之多,比如信用卡交易的随机密钥,还仅仅是开始。在 1Mbps 的数据传输速度下,从电子邮件到电话,都可以被量子随机数发生器进行加密。

  说完了技术本身,来说说大环境。考虑到美国政府已经毫无顾忌、丧心病狂,监视和监听了整个世界长达数年之久,对于该种技术应用的需求应该是十分之广泛和迫切的。不过在未来,这种技术会否被政府监管,甚至禁止呢?这个问题的答案,现在谁也不知道。

[整理编辑:中国测控网]
标签:量子随机数[11]  手机相机[0]  光子[11]  电子[5]  信息安全[2]  棱镜[0]  监听[1]
 
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