ГЕНЕРАТОРЫ ИСТИННО СЛУЧАЙНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье автор анализирует актуальность, востребованность, достоинства и недостатки генераторов случайных последовательностей.

Ключевые слова: генератор, ГСП.

Последовательности случайных чисел и производящие их устройства, и алгоритмы (генераторы случайных последовательностей) находят широкое применение в науке, технике, связи, информационных технологиях. Особую роль случайные последовательности играют в такой области, как обеспечение информационной безопасности.

Генераторы истинно случайных последовательностей – это устройства, которые для получения случайных последовательностей используют объективно существующую случайность физических процессов, происходящих как на макроуровне, так и на микроуровне. Как правило, такие генераторы являются аппаратными, либо программно-аппаратными.

Реальное применение ГСП может быть затруднено такими их особенностями, как:

-низкая скорость работы;

-сложность повторного воспроизведения, дублирования и взаимодействия с процессором;

-отклонения в получаемых последовательностях.

Существуют и разрабатываются квантовые генераторы истинно случайных чисел, основанные на явлениях радиоактивного распада, запутанных квантовых состояниях, лазерном квантовом шуме, квантовых флуктуациях в вакууме, процессах эмиссии и детектирования фотонов.

Основная идея построения генератора истинно случайных последовательностей, базирующихся на источниках шума, состоит в следующем. Случайное аналоговое напряжение, поступающее от источника шума, периодически дискретизируется, усиливается и подается на компаратор для сравнивается с заранее выбранным порогом. При превышении этого порога генерируется значение «1», в обратном случае генерируется «0». Порог может быть установлен таким образом, чтобы вероятности появления «1» и «0» будут примерно равны. Процедура настройки порога оказывается сложной, отнимающей много времени и может вызвать заметное искажение показаний генератора шума.

В целом надежность любого генератора случайных последовательностей, основанных на шуме, зависит от следующих факторов:

-степень случайности используемого источника шума;

-влияние процедур выборки и оцифровки сигналов;

-необходимость использования детерминированной постобработки.

ГСП, основанный на хаотических процессах, использует состояние детерминированного хаоса динамических систем. Отчасти такое применение неслучайной системы в качестве источника истинно случайных чисел объясняется мнением о близости хаоса и случайности. Другой причиной является возможность получения в некоторых хаотических системах макроскопических уровней «шума». Это позволяет выполнять генерацию случайных чисел с помощью методов шумовых ГСП.

Генератор свободных колебаний основан на явлении, когда выходной сигнал инвертора подается на его вход, цепь превращается в так называемый свободный осциллятор, или генератор свободных колебаний. Частота его колебаний определяется внутренними запаздываниями и паразитными емкостями.

Квантовые ГСП. Квантовыми генераторами принято называть такие устройства, которые используют один действительно случайный квантовый эффект, который возможно воспроизводить многократно для получения случайных значений таким образом, чтобы перед каждым измерением система возвращалась к тем же начальным условиям. Важно отметить, что при одинаковых начальных значениях и одном и том же способе измерения в соответствии с принципами квантовой физики будут получены различные результаты. В квантовых генераторах случайных чисел часто используются фотоны, т.к. их легко создавать, обнаруживать и манипулировать ими.

Следует также добавить, что качество квантовых ГСП не снижается из-за существующих недостатков, таких, как неидеальная поляризация, многофазное излучение, время простоя детектора и т.д. Это объясняется тем, что вносимые ими отклонения могут измеряться и оцениваться независимо от процесса генерации случайных значений.

Вывод: В итоге по указанным причинам доказательство надежности ГСП на основе шума становится практически невозможным. Важной проблемой генераторов на свободных осцилляторах является то, что выходная амплитуда генератора зависит от паразитных реактивностей и задержек в цепи.

Все рассмотренные выше системы, кроме квантовых, используемые как ГСП, подчиняются законам классической физики. Случайность их поведения вызвана лишь неопределенностью начальных состояний, что теоретически делает эти системы предсказуемыми. Поэтому только генераторы, работающие на квантовых принципах, можно строго обоснованно считать производящими истинно случайные значения.

Список литературы:

1. Будько М.Б., Будько М.Ю., Гирик А.В., Грозов В.А. Методы генерации и тестирования случайных последовательностей – СПб: Университет ИТМО, 2019. – 70 с.