ETH Zurich certifica aleatoriedade perfeita com emaranhamento quântico

Porque é tão difícil provar a aleatoriedade

Uma das tarefas mais ingratas na física é produzir aleatoriedade genuína - e, sobretudo, demonstrar de forma rigorosa que essa aleatoriedade é mesmo imprevisível.

O problema é que não dá para concluir que algo é aleatório apenas olhando para a sequência que sai do sistema.

Um dado pode ter pequenas mossas ou imperfeições que influenciam o lançamento.

Os geradores de números aleatórios em computadores, na maioria dos casos, são alimentados por algoritmos.

E até um lançamento de moeda obedece a forças físicas que, pelo menos em teoria, poderiam ser previstas.

Assim, o grande obstáculo não está em criar números que pareçam aleatórios, mas sim em provar que ninguém poderia ter antecipado o resultado - isto é, garantir que o sistema não está, de forma oculta, a ser condicionado por regras subtis, enviesamentos ou “truques” escondidos.

Aleatoriedade e segurança moderna

A aleatoriedade é uma peça central da segurança digital atual.

É ela que torna palavras-passe, códigos de autenticação e chaves de encriptação muito mais difíceis de adivinhar.

Por isso, um gerador de palavras-passe tende a produzir uma sequência aparentemente sem sentido, em vez de algo previsível como YourFirstPet123.

E o impacto vai muito além da proteção de uma conta no Flickr: a fiabilidade da aleatoriedade também pesa na segurança internacional.

Há exemplos recentes que ilustram bem estas fragilidades. Um deles é a vulnerabilidade do PuTTY em 2024, na qual um dos clientes SSH mais usados no mundo apresentou um problema na geração de números aleatórios para assinaturas criptográficas.

Outro caso é o bug do AMD Zen 5 RDSEED em 2025: uma instrução de aleatoriedade por hardware gerava valores previsíveis, ao mesmo tempo que indicava - de forma errada - que tinha funcionado corretamente.

Se o código não for perfeitamente aleatório, torna-se mais fácil para um atacante fazer previsões e adivinhar.

Como explicou o físico Renato Renner, do ETH Zurich, a Adam Kovac, da Scientific American: "Qualquer dispositivo eletrónico convencional, como um telemóvel ou um computador, é completamente determinista, por isso é, na verdade, muito difícil para um computador ou para qualquer outro dispositivo eletrónico gerar um valor aleatório."

Emaranhamento no ETH Zurich e o teste de Bell

Para ultrapassar este impasse, uma equipa de físicos do ETH Zurich, na Suíça, recorreu a um dos fenómenos mais estranhos da mecânica quântica: o emaranhamento.

A estratégia assentou numa experiência quântica conhecida como teste de Bell.

Os investigadores prepararam um par de bits quânticos - ou qubits - emaranhados, separados por 30 metros (cerca de 29,9 m) e arrefecidos a temperaturas próximas do zero absoluto.

Diz-se que partículas emaranhadas são aquelas que, quando medidas, exibem semelhanças que não podem ser explicadas apenas pela física clássica.

Ao medir os qubits, surgiram correlações tão intensas que não podiam ser justificadas por regras ocultas comuns nem por um comportamento pré-programado.

Para chegar a este resultado, foram necessárias melhorias técnicas significativas na estabilidade e na velocidade do sistema experimental, o que permitiu realizar mais de mil milhões de ensaios de teste de Bell ao longo de aproximadamente nove horas.

Em geradores quânticos de números aleatórios anteriores, os resultados já podiam ser muito aleatórios, mas continuavam dependentes de hardware considerado fiável e de condições iniciais perfeitamente aleatórias.

A equipa do ETH Zurich, por sua vez, demonstrou algo designado por amplificação da aleatoriedade: começar propositadamente com aleatoriedade imperfeita - isto é, uma aleatoriedade que pode conter pequenas falhas ou enviesamentos - e transformá-la em aleatoriedade que pode ser certificada como perfeitamente imprevisível.

Como escrevem no artigo: "Crucialmente, a amplificação da aleatoriedade provou ser impossível por meios puramente clássicos."

O resultado é um sistema capaz de gerar aleatoriedade certificável como perfeita, mesmo quando o ponto de partida é uma aleatoriedade defeituosa ou incompleta.

"A sequência resultante de zeros e uns é agora verdadeiramente perfeitamente aleatória, e nós conseguimos até certificá-la", afirma Renner.

Independência do dispositivo e o que pode vir a seguir

Além disso, a abordagem é independente do dispositivo - o que significa que a aleatoriedade não assenta na confiança no hardware em si, mas sim no comportamento quântico observado durante a experiência.

A longo prazo, os investigadores defendem que este sistema poderá desempenhar, para a aleatoriedade, um papel semelhante ao dos relógios atómicos na medição do tempo: uma fonte fisicamente certificada de aleatoriedade, que permita calibrar e comparar outras soluções.

"As melhorias técnicas permitiram-nos, pela primeira vez, criar números aleatórios que permanecerão perfeitamente aleatórios por toda a eternidade - independentemente dos métodos analíticos usados para avaliar a sua aleatoriedade", diz Renner.

A investigação foi publicada na Nature.