Команда учёных из JPMorgan Chase, Quantinuum, Национальных лабораторий США (включая Аргоннскую, Ок-Риджскую и лабораторию Беркли) и Техасского университета в Остине совершила прорыв, впервые реализовав на квантовом компьютере практически полезную задачу — генерацию случайных чисел с математически доказанной надёжностью. Результаты открывают путь к новым стандартам безопасности в криптографии и защищённым коммуникациям.

Случайные числа — фундамент цифровой защиты: от шифрования данных до алгоритмов, требующих беспристрастности. Однако классические системы не могут гарантировать истинную случайность — их генераторы теоретически можно взломать. Квантовые компьютеры решают эту проблему, но до сих пор не существовало метода, позволяющего независимо проверить, что полученные числа действительно случайны.

Эксперимент основан на протоколе профессора Скотта Ааронсона (2018). Его суть — в комбинации квантовых вычислений и классической верификации. Учёные использовали 56-кубитный компьютер Quantinuum H2-1 (на ионных ловушках), к которому подключались через интернет. Устройство решало задачи на случайное схемное сэмплирование (RCS, Random Circuit Sampling) — настолько сложные, что даже объединённые суперкомпьютеры Ок-Риджа, Аргонна и Беркли с суммарной мощностью 1,1 эксафлопс (1,1 квинтиллиона операций в секунду) не справились бы за заданное время (менее 2,2 секунды на задачу). Суть RCS в том, чтобы создать настолько сложную задачу, что даже самые мощные классические суперкомпьютеры не смогут её быстро решить или предсказать итоговые данные. Например, квантовый компьютер получает инструкцию построить уникальный «лабиринт» из квантовых операций, а затем записывает, как через него проходит информация. Классические системы пытаются повторить этот путь, но из-за сложности и случайности схемы — не успевают. Это позволяет доказать, что результат был создан именно квантовой системой, а не сымитирован. 

Каждый ответ квантовой системы проверялся методом XEB (кросс-энтропийное тестирование). Расчёты подтвердили: фальсификация данных потребует вычислительных ресурсов, недоступных даже самым мощным суперкомпьютерам.

Учёные доказали, что квантовый компьютер Quantinuum H2-1 создал 71 313 битов, которые не содержат скрытых закономерностей, не зависят от внешних факторов (в отличие от классических генераторов, которые могут быть скомпрометированы), проверены классическими суперкомпьютерами на соответствие критерию. Чтобы угадать или воспроизвести такую последовательность, злоумышленнику потребовалось бы перебрать 271311 вариантов. Для сравнения: современные суперкомпьютеры могут обрабатывать около 1018 операций в секунду, а здесь речь идёт о числе с десятитысячами цифр. Даже для квантовых компьютеров это пока недостижимо.

«Это не абстрактная демонстрация, а решение реальной проблемы, — заявил Марко Пистойя из JPMorgan Chase. — Наша работа показывает, как квантовые компьютеры могут выполнять задачи, критически важные для криптографии». Команда подчёркивает, что протокол устраняет зависимость от «доверия» к поставщику квантовых услуг — теперь клиент может верифицировать случайность удалённо.

Сейчас скорость генерации — около 1 бита в секунду, но улучшение точности квантовых операций (верность выполнения команд) и скорости их выполнения позволит масштабировать систему. В Quantinuum уже заявили, что технология станет основой для «квантовой безопасности» в финансах, производстве и других отраслях.

«Мы перешли от теории к практике, — отметил CEO Quantinuum Раджиб Хазра. — Следующий шаг — интеграция таких решений в индустрию». По оценкам участников проекта, сертифицированная случайность может стать стандартом для защиты данных и коммуникаций уже в ближайшее десятилетие, сократив риски взлома криптографических систем.