Mit einigem Aufwand: Forscher erzeugen erstmals perfekte Zufallszahlen

Forschern der ETH Zürich ist ein Durchbruch bei der Erzeugung perfekter Zufallszahlen gelungen. Mithilfe quantenphysikalischer Methoden konnten sie erstmals nachweisen, dass sich vollkommen zufällige Zahlenfolgen technisch herstellen und zertifizieren lassen.

Quantenphysik macht's möglich

Zufallszahlen spielen in vielen digitalen Anwendungen eine zentrale Rolle, etwa bei der Verschlüsselung sensibler Daten, bei digitalen Identitäten oder in Blockchain-Systemen. Das Problem: Wirklich perfekte Zufälligkeit ist in der Praxis äußerst schwer zu erreichen. Selbst moderne Zufallszahlengeneratoren erzeugen häufig minimale systematische Abweichungen, wodurch bestimmte Zahlen geringfügig häufiger auftreten als andere. Für alltägliche Anwendungen ist das meist unproblematisch, in der Kryptografie können solche Verzerrungen jedoch Sicherheitslücken schaffen.

Das Team um die Physiker Renato Renner und Andreas Wallraff entwickelte deshalb ein Verfahren, das aus unvollkommenen Zufallsquellen dennoch vollkommen zufällige Zahlen erzeugen kann. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht und gelten als bedeutender Fortschritt für die IT-Sicherheit und moderne Verschlüsselungstechnologien.


Die Methode basiert auf einem sogenannten Bell-Test aus der Quantenphysik. Dabei kamen zwei supraleitende Quantenchips zum Einsatz, die auf Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts heruntergekühlt wurden. Beide Chips waren über eine 30 Meter lange gekühlte Verbindung miteinander gekoppelt.

Sichere Kryptographie

Zwischen den Chips wurden Mikrowellen-Photonen ausgetauscht, wodurch eine quantenmechanische Verschränkung entstand. Messungen an einem der Quantenbits beeinflussten dadurch unmittelbar das Verhalten des zweiten Qubits. Entscheidend war laut den Forschern die räumliche Distanz zwischen den Systemen: Während der Messung konnte selbst mit Lichtgeschwindigkeit kein Informationsaustausch stattfinden, was die Reinheit der Zufälligkeit absichern sollte.

Die Auswahl der jeweiligen Messmethode erfolgte zunächst mithilfe eines fehleranfälligen Zufallszahlengenerators. Anschließend verstärkte ein spezieller Algorithmus die Zufälligkeit der erzeugten Daten weiter. Das Ergebnis sei eine Folge von Nullen und Einsen, deren Zufälligkeit mathematisch nachgewiesen werden könne.

Langfristig könnte die Technologie eine ähnliche Bedeutung für die digitale Sicherheit bekommen wie Atomuhren für die Zeitmessung. Denkbar sind Anwendungen in hochsicheren Kommunikationssystemen, bei digitalen Lotterien oder in zukünftigen quantensicheren Verschlüsselungsverfahren.


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