Tilfældige tal spiller en væsentlig rolle i en moderne og digital hverdag, for eksempel når der skal genereres koder til internet-bankkonti, til kryptering og lignende. Når man skal skabe tilfældige tal, bruger man ’tilfældighedsgeneratorer’ (random number generators).
Udfordringen er imidlertid at sikre, at tallene, der genereres, nu også er fuldkommen tilfældige. Når man kaster en terning, lander den tilfældigt på en af seks mulige flader. Men er det nu også helt tilfældigt? Udfaldet af et terningekast kan rent faktisk forudsiges ved hjælp af almindelige matematiske udregninger, hvis blot man kender alle terningens parametre. Det skyldes, at terningen er et klassisk system, der følger almindelig klassisk fysik.
I stedet kan man benytte en såkaldt kvanteterning, når man skal generere ægte og fuldstændig tilfældige tal. En kvanteterning følger nemlig kvantemekanikken og ikke den klassiske fysik. Den kvantemekaniske teori siger, at kvanteterningen antager værdierne 1, 2, 3, 4, 5 og 6 samtidigt, men at den tilfældigt udvælger en af værdierne, når man kigger på den. I virkelighedens verden er kvanteterningerne normalt repræsenteret ved bittesmå partikler, eksempelvis atomer, der for eksempel kan befinde sig i to forskellige energitilstande samtidig. Måles energien af atomet, opnås en af de to energiværdier helt tilfældigt. Ingen i denne verden vil kunne forudsige den målte værdi.
Derfor har man i flere år benyttet komplicerede kvantesystemer til at producere tilfældige tal, men nu har forskere på DTU i samarbejde med forskere på Max Planck Instituttet i Erlangen i Tyskland vist, at ægte tilfældige tal kan genereres ved at benytte et helt specielt kvantesystem, nemlig ’ingenting’ - bedre kendt som vakuumtilstanden. Hele det tomme rum omkring os er nemlig fyldt med vakuumtilstande, så kvantesystemet kommer til os helt gratis. Dette ’ingenting’ kan kun beskrives med kvantemekanikken og følger det samme tilfældighedsprincip som kvanteterningen. Udfaldet af en måling af vakumtilstanden er helt tilfældig, og kan dermed bruges til at producere tilfældige tal.
Eksperimentet er simpelt: Det kræver en laserstråle, en stråledeler og to gode fotodetektorer. Laserstrålen deles i stråledeleren, hvori den blandes med vakuumtilstanden og danner to nye laserstråler. De to stråler sendes mod to fotodetektorer, hvor lyset måles. I fotodetektorerne produceres to elektriske strømme, som trækkes fra hinanden. Den strøm, der er tilbage, når de to strømme er trukket fra hinanden, repræsenterer den endelige måling af vakuumtilstanden og indeholder derfor de tilfældige tal i form af forskellige strømværdier.
Det dansk-tyske forskerteams arbejde er netop blevet publiceret i det anerkendte naturvidenskabelige tidsskrift Nature Photonics.
Læs artiklen: www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2010.197.html
Læs mere om forskergruppen på DTU (Quantum Information Group):www.quin.fysik.dtu.dk