Критическую роль истинная случайность играет в криптографии. В методах симметричного шифрования случайные числа используются в качестве секретных ключей, а в методах ассиметричного – для генерации и определения простоты чисел.
Для применения в криптографии требуется высокая скорость генерации по причине частой смены ключей, а также из-за использования такого метода шифрования как одноразового блокнота, при котором один символ сообщения шифруется с помощью с помощью одного символа ключа.
В большинстве применений требуется высокая степень случайности генерируемой последовательности. Для генерации случайных чисел важен источник случайности.
По источнику случайности генераторы случайных чисел подразделяются на псевдослучайные и аппаратные.
Псевдослучайные генераторы случайных чисел
Генерация псевдослучайных чисел основана на математических алгоритмах, позволяющих на основе детерминированного математического преобразования извлекать числа, на первый взгляд являющиеся случайными. Однако, зная предыдущее число и внутренние параметры алгоритма, можно определить всю последовательность. Вследствие этого воспроизводимые псевдослучайным генератором числовые последовательности не могут считаться истинно случайными.
Аппаратные генераторы случайных чисел
Аппаратные генераторы случайных чисел, в свою очередь, подразделяются на две группы — классические и квантовые генераторы.
В классических генераторах случайных чисел источником энтропии является процесс, который описывается детерминированными законами классической физики.
Случайность генерируемых последовательностей основывается на сложности решения системы дифференциальных уравнений, которыми описывается данный физический процесс. Таким образом, при наличии достаточных вычислительных мощностей, злоумышленник потенциально может иметь возможность воспроизвести генерируемые классическим аппаратным генератором случайные числа по аналогии с псевдослучайными генераторами случайных чисел.
Квантовый генератор случайных чисел в качестве физического источника энтропии использует квантовый процесс, случайность которого обусловлена законами физики. Поэтому квантовый генератор случайных чисел является источником истинно случайной числовой последовательности. В этом случае числовые последовательности не могут быть воспроизведены злоумышленником.
В качестве квантового источника энтропии существует множество квантовых процессов: использование фазового шума, разделение пути фотона, время прилета фотона, вакуумные флуктуации и другие.
Область применения
- Информационные системы, реализующие различные статистические методы и методы стохастического моделирования
- Электронные игровые платформы
- Системы информационной безопасности
Преимущества
- Высокая скорость генерации случайных чисел
- Интегрально-оптическая реализация
- Источник энтропии – вакуумные флуктуации
Характеристики
- Скорость генерации от 300 Мб/с до 3 Гб/с
- Рабочий диапазон температур от -25 до 70°C
Принцип работы
В нашем решении мы используем в качестве источника энтропии флуктуации вакуума для достижения наиболее высоких скоростей и удобства использования. Процесс постобработки применяется для повышения случайности последовательности.
Принципиальная схема генератора случайных чисел на основе вакуумных флуктуаций.
Л – лазер; И – изолятор; СД – светоделитель; Д1, Д2 – детекторы; АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
Излучение лазера интерферирует с вакуумным состоянием на светоделителе. Излучение от двух плечей попадает на балансном детекторе, на котором измеряется разность фототоков с двух детекторов.
Напряжение на балансном детекторе пропорционально квадратуре вакуумного состояния, что обуславливает случайность напряжения. АЦП производит оцифровку напряжения. Пример оцифровки приведен на рисунке ниже.
После этого полученная последовательность проходит постобработку при помощи хэш-функции, которая преобразует последовательность к равномерному распределению. С помощью данного генератора случайных чисел возможно достижение скоростей генерации порядка 3 Гб/с.
Пример оцифровки квантового шума при помощи АЦП.