Kvantni generator slučajnih brojeva

1. Kvantni generator slučajnih brojeva Autori: dr. Branka Medved Rogina dr. Mario Stipčević Institut Ruđer Bošković, Zagreb Jesenski međunarodni zagrebački velesajam 13.-18.09.2005.

2. Što je generator slučajnih brojeva Generator slučajnih brojeva je naprava koja, na zahtjev, proizvodi ili nulu ili jedinicu i to posve slučajno. To je baš kao da bacamo novčić gdje smo pismo označili s “0”, a glavus “1”. . . . -> 1 0 1 . . . Brojeve koji se sastoje samo od nula i jedinica nazivamobinarnima. Takvi su brojevi prirodan način prikaza brojeva u kompjuteru i mogu se lako pretvoriti u bilo kakav drugi brojevni sustav npr. decimalni kojeg koristimo u svakodnevnom životu. 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 = 2885

3. Što je kvantnigenerator slučajnih brojeva Kvantni generator slučajnih brojeva koristi određene procese čija je slučajnost zagarantirana zakonima kvantne fizike. Jedan takav proces jest emisija fotona. Naime, svjetlost se sastoji od sićušnih “zrnaca” koje nazivamo fotonima. Promatramo li slabašan izvor svjetlosti primjetit ćemo da fotoni iz njega izlaze u nejednolikim, slučajnim vremenskim razmacima. Mjerenjem tih slučajnih vremenskih razmaka može se, spomoću metode koji smo patentirali, stvoriti niz slučajnih binarnih brojeva. ~ ~ ~ ~ ~→ 0101101001... Detektor fotona Može se znanstveno dokazati da je tako dobiven niz nula i jedinica posve slučajan i nepredvidljiv.

4. Zašto nam treba kvantni generator slučajnih brojeva ? • Za generiranje slučajnih brojeva tamo gdje je nepredvidljivost brojeva ključna, kao: • Kvantna kriptografija – nova metoda za prijenos podataka koji je potpuno siguran od prisluškivanja • Klasična kriptografija: jednokratni ključevi, izazov-odgovor podaci za PKI,generiranje javnih ključeva • PIN brojevikojima se označavaju tzv. “prepaid” bonovi za doplatu računa za mobilne telefone, kablovski televiziju i slično • TAN brojevi koji se jednokratno koriste za plaćanje i identifikaciju u tele- i web- bankingu • Brze računske metodekoje koriste probabilističke algoritme

5. Zašto nam treba kvantni generator slučajnih brojeva ? • Kompjuterske simulacije u tehnologiji i znanosti • Jedinstveni identifikacijski brojevi za označavanje proizvoda, chipova, identifikacijskih kartica, generiranje lozinki, itd. • Elektronička mjerna instrumentacija (generatori valnih oblika, šuma...) • Igre na sreću i ždrijebanje • Istraživanja u znanosti i rubnim područjima (PSI faktor) • Industrijska testiranja (npr. u automobilskoj industriji), itd.

6. Važan motiv: kriptografija • Živimo u dobu znanja. Ulaganje u znanje donosi najveći profit.Dakle znanje treba zaštiti. • Komunikacije igraju narastajuće važnu ulogu u svakodnevnom životu • Prijenos znanja, elektroničko poslovanje i transakcije, e-trgovina,vlada, vojska, osobna privatnost; zahtijevaju sigurnu komunikaciju •  Sigurnu komunikaciju ostvarujemo kriptografskim metodama koje u mnogome ovise o mogućnosti generiranja istinski slučajnih brojeva, kakve možemo dobiti pomoću generatora QRBG121.

7. Ne-deterministički nasuprot pseudo-slučajnih generatora • U današnjim kompjuterima uglavnom se koriste slučajni brojevi koji se računaju putem matematičkih formula. Tako dobiveni brojevi izgledaju slučajno, ali to u stvari nisu jer su u potpunosti izračunljivi putem spomenute formule.

8. Ne-deterministički nasuprot pseudo-slučajnih generatora Nasuprot tome, brojevi koje daju ne-deterministički hardverski generatori ne mogu se izračunati i stoga su potpuno slučajni i nepredvidljivi. Većina aplikacija preferira ne-determinističke slučajne brojeve, a neke poput kvantne kriptografije ih zahtijevaju Naš kvantni generator slučajnih brojeva QRBG121 oslanja se na inherentnu slučajnost kvantnih procesa i stoga je njegova slučajnost znanstveno dokaziva.

9. Značajke generatora QRBG121 • Jednostavan za uporabu • Isporučuje se s bogatom softverskom podrškom: • Grafički i komandnolinijski programi za spremanje slučajnih brojeva u datoteku • Testiranje i grafički prikaz generiranih brojeva u realnom vremenu • Paket s preko 20 statističkih testova namijenjenih testiranju slučajnih brojeva • Driveri i programske biblioteke (DLL) za MS Windows i Linix operativne sustave • Primjeri programskog koda za pisanje vlastitih aplikacija u najpopularnijim programskim jezicima: C++, Visual Basic, C#, Visual Net • Na kompjuter se priključuje putem USB 2.0 porta • Podržani su operativni sistemi Microsoft Windows i Linux • Velika brzina: 12 milijuna bitova u sekundi • Odlična preciznost: bias i autokorelacije manje od 0.0001

10. Tehničke specifikacije

11. Provjera slučajnosti Slučajnost brojeva koje proizvodi generator može se podvrgnuti strogim statističkim testovima, koji mjere stupanj slučajnosti. Svaki generator QRBG121 prolazi tridesetak različitih statističkih testova, među kojima su najvažniji DIEHARD i STS. Ovaj potonji je industrijski standard kojeg je propisao američki Nacionalni istitut za standarde (NIST) za “generatore slučajnisti koji se koriste u kriptografske svrhe”. Tipični rezuktati testiranja generatora mogu se naći na web stranici ovog prizvoda: http://qrbg.irb.hr

12. Provjera slučajnosti Za brzo otkrivanje nepravilnosti u radu generatora tijekom njegove konstrukcije, koristili smo se specijalnim brzim testovima slučajnosti. Jedan takav test je grafički prikaz brojeva u jednoj i dvije dimenzije. Po osam bitova slažu se u jedan broj, a parovi tih brojeva koriste se kao koordinate za iscrtavanje točkica. Ako su brojevi slučajni, točkice bi trebale biti ravnomjerno razbacane po plohi, bez vidljivih struktura. Ovaj test koristi sposobnost našeg mozga da u trenu oka uoči strukturu pa je brži nego da se izvodi na kompjuteru !

13. Galerija slika Prototip na breadboardu Generator iznutra Jedan od mjernih uređaja načinjenih specifično Za razvoj Kvantnog generatora slučajnih brojeva Konačni proizvod u tipičnom okruženju

14. Nagrade za inovaciju 2005