Quantenrauschen, Laserstrahlen: Forscher jagen sichere Zufallszahlen

23. März 2015, 18:28
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Künftig könnten Smartphones praktisch unknackbare Zahlenreihen erzeugen

Der Zufall ist allgegenwärtig. Doch nicht nur bei unerwarteten Ereignissen, die sich auf das Leben von Menschen auswirken oder bei riskanten Geldspielen im Casino, auch dort wo man ih nicht sieht wirkt er auf wichtige Weise. Etwa im Bereich der Verschlüsselung, wo Zufallszahlen etwa für die Erzeugung von Schlüsselpaaren sicherer Übertragungen herangezogen werden.

Doch selbst die längste Liste an computergemachten Zufallszahlen ist nicht wirklich zufällig. Die Entropie, ein Messwert der Informationsdichte, recht nur so weit, wie es der Code der jeweiligen Software erlaubt und ist damit immer endlich. Auch wenn es mit erheblichem Aufwand verbunden ist, wird damit das Ergebnis jedes rein elektronischen Zahlengenerators mit fortschreitender Leistungsfähigkeit von Hardware irgendwann einmal vorhersagbar. Weswegen Experten hier auch den Begriff "Pseudo-Zufall" etabliert haben. Ein Problem, mit dessen Lösung sich Forscher schon länger auseinander setzen.

Analoge Zufälligkeiten

Eine Lösung, so berichtet Gizmodo ausführlich, findet sich im analogen Bereich. Denn wie festgestellt, ist der Mensch vom Zufall umgeben. Die Seite Random.org, ein kostenloser Online-Generator für zufällige Zahlenwerte, nutzt zur Erzeugung des Ergebnisses das mit einem Radioempfänger einfangbare, atmosphärische Hintergrundrauschen.

Eine solche Methode setzt jedoch einen passenden Standort voraus. Die Betreiber weisen darauf hin, dass ein ähnlicher Versuch im eigenen Büro derartiges zu tun, würde wahrscheinlich dazu führen, hauptsächlich den Lärm von PC-Gehäuselüftern einzufangen, die jedoch ein sehr konsistentes und folglich vorhersagbares Geräusch von sich geben. Doch um eine möglichst starke Entropie zu erreichen, gilt es die am wenigsten vorhersagbaren Vorgänge heranzuziehen.

Quantensprünge

Die Wissenschaft ist sich mittlerweile weitgehend einig, dass diese im Bereich der Quantenmechanik zu finden sind. Der Ausgang von Experimenten in diesem Feld gelten allgemein als unvorhersagbar.

An der Universität von Peking misst man zur Erzeugung von Zufallszahlen etwa Variationen in der Frequenz, in der ein Laser Photonen emittiert, um in Stößen abgegebene Strahlen von gebündeltem Licht zu vergleichen. Daraus extrahieren sie bis zu 300 Millionen zufällige Zahlen pro Sekunde.

Am Max Planck-Institut in Erlangen spaltet man wiederum einen Laserstrahl und schickt die beiden Strahlen durch ein Vakuum. In einem "perfekten" Vakuum sollten sie dieses unverändert durchqueren. Doch in der Praxis sorgt Quantenrauschen, das hier auch als "Vakuumfluktuation" bezeichnet wird, für kleine Abweichungen, das man ebenfalls zum Generieren zufälliger Nummern heranzieht.

Auch in Kanada wird geforscht. Dort beschäftigt sich Programmleiter Ben Sussman damit, Laser in Pulsen von wenigen Billionstel-Sekunden durch einen drei Millimeter dicken Diamanten zu schicken. Über eine Milliarde Zufallszahlen sind damit sekündlich erzeugbar, allerdings ist der Prozess noch vergleichsweise energiehungrig und noch nicht ganz reif für den Einsatz in Quanten-basierten Kommunikationssystemen.

Starke Zufallszahlen aus dem Handy

In Zukunft könnten ganz normale Smartphones mächtige Generatoren für zufällige Werte auf Quantenbasis werden. Entsprechende Forschung wird an der Universität Genf betrieben. Dort macht man sich zunutze, dass bei der Lichterzeugung von LEDs ein quantenmechanischer Prozess zum Einsatz kommt. Elektronen füllen hier Lücken in Gittern auf Atomebene, um Photone zu Erzeugen.

Da diesem Ablauf natürlicher Zufall innewohnt, weicht jedoch die gemessene Anzahl der emittierten Photonen von der erwarteten Menge leicht ab. Die Differenz ist nicht vorhersagbar, ihre Messung mit entsprechend empfindlichen Kameramodulen bietet daher eine ideale Berechnungsgrundlage. Mit dem im Vergleich zu heutigen Chips relativ kleinen 8-Megapixel-Modul des 2011 veröffentlichten Nokia N9 konnten sie so 1,25 Milliarden Zufallszahlen pro Sekunde generieren.

Großer Vorsprung

Aufgrund der Limitation der Hardware ist auch hier die Entropie limitiert, allerdings müsste man das Verfahren 10 hoch 118 Mal wiederholen, ehe man die Anfänge eines Musters erfassen kann. Dementsprechend gibt es aktuell wenig Grund zur Sorge, wie Gizmodo erklärt, entspricht dieser Wert in Sekunden doch 10 hoch 80-fachen des geschätzten Alters der Milchstraße.

Dank moderner Wissenschaft könnten unsichere Zufallszahlen demnach schon in absehbarer Zeit der Vergangenheit angehören, was für die IT-Sicherheit von großer Bedeutung wäre. Freilich muss auch an anderen Stellen nachgebessert werden, nutzen Geheimdienste wie die NSA doch nicht nur schwache Verschlüsselung, sondern auch durch Programmierfehler verursachte Schwächen in alltäglicher Software für ihren globalen Lauschangriff aus. (gpi, 23.03.2015)

  • Quantenrauschen und sein Einfluss auf Licht könnte die Grundlage für hochsichere Zufallszahlen werden.

    Quantenrauschen und sein Einfluss auf Licht könnte die Grundlage für hochsichere Zufallszahlen werden.

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