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Quantenphysik Erstmals perfekter Zufall erzeugt

Quelle: ETH Zürich 2 min Lesedauer

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Forschende der ETH Zürich haben mit einem Quantenexperiment erstmals perfekte, zertifizierbare Zufallszahlen erzeugt. Diese können unter anderem bei der Verschlüsselung von Nachrichten eingesetzt werden.

Dasselbe Schafbild, verschlüsselt mit herkömmlichen Zufallszahlen (Mitte) und mit den zertifizierten Zufallszahlen der ETH-Forschenden (rechts). Bei perfektem Zufall bleibt nur noch statistisches Rauschen sichtbar. (Bild: ETH Zürich)
Dasselbe Schafbild, verschlüsselt mit herkömmlichen Zufallszahlen (Mitte) und mit den zertifizierten Zufallszahlen der ETH-Forschenden (rechts). Bei perfektem Zufall bleibt nur noch statistisches Rauschen sichtbar.
(Bild: ETH Zürich)

Den perfekten Zufall zu erzeugen, ist schwierig: Selbst moderne Zufallsgeneratoren liefern keine vollständig idealen Zufallszahlen. Kleine systematische Abweichungen können dazu führen, dass einzelne Werte häufiger auftreten. Für viele Anwendungen ist das unproblematisch – in der Kryptografie jedoch können solche Abweichungen die Sicherheit gefährden.Ein Forschungsteam um Renato Renner und Andreas Wallraff am Departement Physik der ETH Zürich hat nun gezeigt, wie sich perfekter Zufall quantenphysikalisch erzeugen lässt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature veröffentlicht. 

Quantenphysik verstärkt Zufall

„Es mag seltsam erscheinen, aber eine perfekte Münze oder einen perfekten Würfel herzustellen, ist praktisch unmöglich“, sagt Renner. Selbst quantenbasierte Zufallsgeneratoren seien nicht vollständig frei von systematischen Fehlern, ergänzt Wallraff. Die Forschenden entwickelten daher eine Methode zur sogenannten Zufallsverstärkung. Grundlage ist ein verbesserter Bell-Test mit hoher Qualität und Datenrate. Zum Einsatz kommen zwei supraleitende Qubits, die auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt und über eine 30 Meter lange Verbindung miteinander verschränkt sind.
Durch diese räumliche Trennung wird sichergestellt, dass während der Messung kein Informationsaustausch stattfinden kann – eine Voraussetzung für echte Zufälligkeit. Die Messbasis wird zunächst von einem nicht perfekten Zufallsgenerator bestimmt, die Ergebnisse anschließend algorithmisch weiter verstärkt.

Die daraus erzeugte Abfolge von Nullen und Einsen ist jetzt wirklich perfekt zufällig, und das können wir sogar zertifizieren. Durch die technischen Verbesserungen können wir erstmals Zufallszahlen herstellen, die für alle Ewigkeit perfekt zufällig bleiben – egal, welche Analysemethoden man auf sie anwendet.

Renato Renner, ETH Zürich

Potenzial für sichere Kommunikation

Langfristig könnte die Technologie eine ähnliche Rolle für die digitale Sicherheit spielen wie Atomuhren für die Zeitmessung: als physikalisch zertifizierte Quelle für Zufall. Mögliche Anwendungen reichen von der Verschlüsselung sensibler Kommunikation über digitale Identitäten bis hin zu Blockchain- und Lotterie-Systemen.
Denn: Die Sicherheit kryptografischer Verfahren hängt maßgeblich von der Qualität der verwendeten Zufallszahlen ab. Je besser der Zufall, desto robuster die Verschlüsselung.

Literaturhinweis 

Kulikov A, Storz S, Schär JD, Sandfuchs M, Wolf R, Berterottière F, Hellings C, Wallraff A, Renner R: Experimental Randomness Amplification. Nature, 27. Mai 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10521-8  

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