Forscher entwickeln ersten fälschungssicheren Zufallszahlengenerator

Forscher haben ein System zur Erzeugung wirklich zufälliger Zahlen entwickelt. Das "Colorado University Randomness Beacon" nutzt Quantenmechanik und Blockchain-Technologie, um vollständig manipulationssichere Zufallszahlen zu erzeugen.

Echter Zufall ist schwierig

Zufallszahlen sind in unserem Alltag unverzichtbar: Ob bei der Auswahl von Menschen für bestimmte Aufgaben, bei Steuerprüfungen oder in der IT-Sicherheit - überall werden sie benötigt. Doch wie zufällig sind diese Zahlen wirklich? Die kurze Antwort: nicht besonders. Denn klassische Computerprogramme erzeugen nur pseudozufällige Zahlen, die bei ausreichendem Wissen über den jeweiligen Algorithmus vorhersagbar sind.

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder haben nun ein System entwickelt, das dieses Problem löst: das Colorado University Randomness Beacon (CURBy). Dieses erzeugt automatisch zufällige Zahlen und stellt sie täglich über eine Website öffentlich zur Verfügung.

Quantenphysik als Quelle

Im Gegensatz zu klassischen Verfahren nutzt CURBy die inhärente Zufälligkeit der Quantenmechanik. Wie es in einer in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Studie heißt (via ScienceNews), ist die Unvorhersehbarkeit von Zufallszahlen grundlegend für die digitale Sicherheit und Anwendungen, die Ressourcen fair verteilen. Bestehende Zufallszahlengeneratoren haben jedoch Einschränkungen - die Erzeugungsprozesse können nicht vollständig nachverfolgt, geprüft und als unvorhersehbar zertifiziert werden.

Im Kern des Systems steht der sogenannte Bell-Test, der wirklich zufällige Ergebnisse liefert. Dieser Test misst Paare "verschränkter" Photonen, deren Eigenschaften korreliert bleiben, selbst wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind.

Das von den Forschern entwickelte Protokoll extrahiert Zufälligkeit aus unvorhersehbaren nicht lokalen Quantenkorrelationen und verwendet verteilte, miteinander verflochtene Hash-Ketten, um den Extraktionsprozess kryptografisch nachzuverfolgen und zu verifizieren.

Twine-Protokoll verhindert Manipulation

Was CURBy besonders macht, ist die Kombination aus Quantenphysik und moderner Blockchain-Technologie. Die Forscher haben ein neuartiges Protokoll namens Twine entwickelt, das verhindert, dass alle Blöcke einer einzelnen Kette manipuliert werden können. Twine ermöglicht es, dass ein Block die Hashes von Blöcken aus mehreren Ketten enthalten kann, die von verschiedenen Parteien betrieben werden.

Wenn eine Partei versucht, ihre veröffentlichten Aufzeichnungen zu manipulieren, kann dies von anderen Parteien erkannt werden, da die in ihren Ketten gespeicherten Hashes nicht mehr konsistent sind. Für einen etwaigen Angreifer bedeutet das, dass er nicht nur seine eigene Hash-Kette heimlich umschreiben müsste, sondern auch die aller anderen verbundenen Teilnehmer.

Erfolgsrate von 99,7 Prozent

In einem 40-tägigen Test generierte das Forscherteam 7454 Mal Zufallszahlen und stellte fest, dass in 7.434 Fällen eine wirklich zufällige Zahl erzeugt wurde - eine Erfolgsrate von 99,7 Prozent.

Der Prozess beginnt mit der Erzeugung eines Paares verschränkter Photonen in einem speziellen, nicht linearen Kristall. Die Photonen reisen über Glasfasern zu getrennten Laboren. Dort werden ihre Polarisationen gemessen, wobei die Ergebnisse dieser Messungen wirklich zufällig sind. Dieser Vorgang wird 250.000 Mal pro Sekunde wiederholt.

Die ersten Versuche mit diesem System erforderten monatelange Vorbereitungen und liefen nur für wenige Stunden. Selbst dann erzeugten die Physiker und Ingenieure nur 512 Bits echter Zufälligkeit. Seitdem haben die Forscher ihr Experiment erweitert und automatisiert, um Zufallszahlen bei Bedarf anzubieten. "Wir wollten dieses Experiment wirklich aus dem Labor herausholen und in einen nützlichen öffentlichen Dienst verwandeln", sagte Lynden Shalm, einer der beteiligten Forscher.

Was haltet ihr von dieser Verschmelzung von Quantenphysik und IT-Sicherheit? Könntet ihr euch vorstellen, CURBy für eure Projekte zu nutzen oder seht ihr noch Schwachstellen? Teilt eure Gedanken in den Kommentaren.


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