In der heutigen digitalen Welt sind Zufallszahlen von zentraler Bedeutung. Sie bilden die Grundlage für Verschlüsselungen, sichere Kommunikation und eine Vielzahl von Anwendungen, die auf Unvorhersehbarkeit und Fairness beruhen. Doch trotz ihrer weitverbreiteten Nutzung stehen klassische Zufallszahlengeneratoren vor erheblichen Herausforderungen in puncto Nachvollziehbarkeit, Sicherheit und Zertifizierbarkeit. Hier setzt die neuartige Technologie von nachvollziehbaren Zufallszahlen aus einem nicht-lokalen Quanten-Vorteil an, die einen Paradigmenwechsel in der Generierung wahrhaft unvorhersehbarer Zahlen darstellt. Traditionelle Zufallszahlengeneratoren basieren häufig auf algorithmischen Verfahren, sogenannten Pseudozufallszahlengeneratoren.
Diese sind deterministisch aufgebaut, ihre Ausgaben lassen sich zwar mittels bestimmten Anfangswerten (Seeds) nachvollziehen, bieten jedoch keine Garantie, dass die Zahlen von vornherein unvorhersehbar waren. Das bedeutet, wer den Startwert kennt, kann die Ausgabe rekonstruieren, was in sicherheitskritischen Anwendungen ein erhebliches Risiko darstellt. Im Gegensatz dazu stehen Hardware-Zufallszahlengeneratoren, die physikalische Prozesse wie Rauschsignale oder thermische Fluktuationen nutzen. Aber auch hier fehlen meist transparente, überprüfbare Sicherheitsgarantien gegenüber Manipulationen oder Angriffe durch Einflussnahmen auf die physikalischen Quellen. Eine wirklich revolutionäre Lösung kommt aus dem Bereich der Quantenphysik.
„Geräteunabhängige“ Quanten-Zufallszahlengeneratoren, die auf sogenannten nicht-lokalen Quantenkorrelationen basieren, können mit hoher Sicherheit garantieren, dass die erzeugten Zufallszahlen tatsächlich unvorhersehbar sind. Dies beruht auf fundamentalen Prinzipien der Quantenmechanik, insbesondere auf Bell-Tests, die klassische mechanische Erklärungen ausschließen und die Präsenz echter Quantenzufälligkeit nachweisen. Doch bislang fehlte das entscheidende Puzzlestück: die vollständige Nachverfolgbarkeit und Auditierbarkeit des gesamten Generierungsprozesses, um jede einzelne Zufallszahl transparent und nachvollziehbar zu machen. Das Forschungsprojekt unter Leitung von Gautam A. Kavuri, Lynden K.
Shalm und weiteren internationalen Expertenteams schafft genau hier eine bahnbrechende Innovation. Sie entwickelten ein vollständig nachverfolgbares und zertifizierbares Protokoll zur Zufallszahlengenerierung, das nicht-lokale Quantenkorrelationen als Quelle nutzt. Die Besonderheit dieses Verfahrens liegt in einer Kombination aus fortschrittlichen kryptographischen Techniken wie verschränkten Hashketten, die es ermöglichen, den gesamten Extraktionsprozess der Zufallszahlen auf sichere und manipulationssichere Weise öffentlich zu dokumentieren und zu validieren. Diese innovative Technologie wurde in Form eines öffentlich zugänglichen Quanten-Zufallszahl-Beacons implementiert, der aktuell rund um die Uhr betrieben wird. Innerhalb der ersten 40 Tage gelang es dem Projekt, bei nahezu allen von insgesamt über 7.
400 Versuchen erfolgreich eine 512-Bit-Zufallszahl zu generieren, deren Unvorhersehbarkeit mit einem äußerst geringen Fehlermaß zertifiziert ist. Mit einer Erfolgsrate von 99,7 % demonstriert das System eindrucksvoll eine robuste und praktikable Umsetzung. Neben der beeindruckenden Effizienz überzeugt das Konzept mit seiner Transparenz und Nachvollziehbarkeit: Die Nutzer und Experten weltweit können den Generierungsprozess jeder einzelnen Zahl über öffentlich verfügbare Daten verfolgen und überprüfen. Dies schafft in Zeiten zunehmender digitaler Bedrohungen und Misstrauen eine dringend benötigte Grundlage für Vertrauen und Sicherheit. Die Bedeutung solcher nachweislich unvorhersehbarer Zufallszahlen erstreckt sich weit über die reine Kryptographie hinaus.
Fairness bei der Verteilung von Ressourcen, beispielsweise bei Lotterien oder bei der Auswahl in gerichtlichen Verfahren, erfordern ebenfalls Absolute Zufälligkeit und Manipulationssicherheit. Eine weitere wichtige Anwendung liegt in der künstlichen Intelligenz und bei Simulationen, wo schlechte oder vorhersagbare Zufallszahlen den Fortschritt bestimmter Algorithmen erheblich beeinträchtigen können. Technologisch gesehen steht hinter diesem Fortschritt die Nutzung von verschränkten Photonenzuständen, die in physikalischen Experimenten nach strengen Bell-Test-Protokollen erzeugt werden. Die Kombination dieser Quantensysteme mit ausgefeilter Mathematik und moderner Kryptographie schafft einen nie dagewesenen Sicherheitsstandard, der über die Möglichkeiten klassischer Systeme weit hinausgeht. Ebenfalls bemerkenswert ist die Open-Source-Natur des Projekts.
Der gesamte Quellcode zur Steuerung des Beacons, zur Datenanalyse sowie zur Nachverfolgung der Zufallszahlen ist öffentlich auf GitHub verfügbar. Ebenso sind sämtliche Rohdaten der Zufallszahlengeneration für jedermann zugänglich. Ein solch hohes Maß an Offenheit fördert eine breite Akzeptanz, ermöglicht Prüfungen durch die wissenschaftliche Community und unterstützt die Weiterentwicklung durch eine offene Entwicklergemeinschaft. Die hier realisierte Methode steht exemplarisch für den so genannten „Zweiten Quantenrevolution“, bei der quantenmechanische Prinzipien nicht nur theoretischem Interesse dienen, sondern in praktisch nutzbare Technologien einfließen, die Wirtschaft und Gesellschaft tiefgreifend beeinflussen. Dabei zeigt sich, wie Quantentechnologien gerade auch bestehende Herausforderungen in Sicherheit und Vertrauenswürdigkeit im digitalen Zeitalter mit Eleganz und Effizienz lösen können.
Neben den technischen und wissenschaftlichen Errungenschaften wird das Projekt auch von staatlichen und internationalen Förderprogrammen unterstützt, was dessen strategische Bedeutung unterstreicht. Nationale Institute wie das NIST in den USA sowie europäische Forschungseinrichtungen arbeiten Hand in Hand, um die Voraussetzungen für den weltweiten Einsatz solcher Quantenbasierter Systeme zu schaffen. Trotz der beeindruckenden Fortschritte bleiben weiterhin Herausforderungen bei der Skalierung und Integration solcher Systeme in bestehende Infrastrukturen bestehen. Die Hardware zur Erzeugung und Verteilung von verschränkten Zuständen muss robust, wartungsarm und preislich konkurrenzfähig werden, um breite Einsatzmöglichkeiten zu ermöglichen. Ebenso müssen Standardisierungsprozesse begleitet werden, die sowohl technische als auch rechtliche Anforderungen erfüllen.
