Generatore di numeri casuali puri utilizzando la turbolenza atmosferica

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Paolo Villoresi, Giuseppe Vallone, Davide Marangon e altri collaboratori del gruppo di Quantum Communications del DEI Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Padova, hanno messo a punto nel 2013 un prototipo che permette di generare numeri casuali puri tramite un raggio laser inviato ad un ricevitore sufficientemente lontano attraverso l’atmosfera. Il loro lavoro è stato pubblicato pubblicato su ArXiv.org e da nature.com.

Perché numeri casuali puri? I numeri casuali utilizzati finora nei computer sono numeri pseudo casuali cioè generati in modo deterministico con algoritmi che in sostanza implementano dinamiche caotiche nel senso del caos deterministico: un sistema deterministico con caratteristiche di non linearità, presenza di punti di equilibrio iperbolici e sensibilità ai valori iniziali, che si comporta apparentemente come un sistema casuale ma che casuale non è perché vale il determinismo alla Cauchy (fissato un punto si può sempre determinare il punto successivo con certezza – se il punto iniziale è noto con certezza).

Nei numeri casuali puri o genuini invece conoscere lo stato del sistema ad un certo istante non ci dà alcun modo di prevedere con certezza dove sarà il sistema l’istante successivo, possiamo solo stabilire delle probabilità.

Il metodo messo a punto da Villoresi ed i suoi collaboratori si avvale delle proprietà della turbolenza atmosferica nella diffusione di un raggio laser. Il prototipo è alquanto ingombrante: si tratta di ricevere il fascio laser ad una distanza di 143 km, essendo il trasmettitore laser posizionato nell’isola di La Palma ed il ricevitore nell’isola di Tenerife. Il fronte d’onda, approssimativamente sferico a grande distanza, viene deformato dal diverso indice di rifrazione dovuto alla turbolenza dell’aria, e viene raccolto da un sensore a matrice nel quale avviene un campionamento delle intensità e una codifica.

Il pattern di diffusione del fascio si dispone in una scacchiera in cui caselle nere e bianche (per semplificare) si scambiano continuamente di posto in modo del tutto impossibile da prevedere; la codifica di ogni scacchiera (frame) viene associata ad un numero per ottenere quindi una successione di numeri casuali puri.

In numeri ottenuti sono stati sottoposti a test di casualità passandoli tutti: il generatore è formidabile.

Nell’articolo pubblicato sull’Archivio vi è anche un’applicazione alla QKD (Distribuzione di Chiavi Quantistiche) nell’ambito della Quantum Information.

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