Мы наконец-то научились создавать по-настоящему случайные числа

Ини, мини, мини, мо, поймай тигра за палец – так звучит рифма. Но даже дети знают, что подобные считалки не помогут сделать действительно случайный выбор. Возможно, вы помните, когда впервые поняли, что можете изменить результат, тщательно выбрав отправную точку?

Подбросить монету или бросить игральную кость, возможно, было бы лучше, но попытайтесь доказать, что результат вашего подбрасывания или броска случайен, и вы зайдете в тупик. Это потому, что эти вещи не являются по-настоящему случайными: если бы вы знали точное положение игральной кости или монеты в вашей руке, траекторию броска, силу гравитации и такие тонкие факторы, как сопротивление воздуха или трение приземляющейся поверхности, вы могли бы предсказать результат. Истинная случайность трудно найти.

Дело в том, что теперь мы знаем, что случайность реальна, заложена в саму ткань Вселенной в форме квантовой механики. Имея выбор из двух путей, квантовая сущность – например, электрон или фотон света – выберет один совершенно случайно: за квантовым эффектом не существует предсказуемой причины. Маяк случайности Университета Колорадо, ласково прозванный CURByиспользует это явление. В этом году он появился в сети как первый в мире общедоступный источник отслеживаемых, проверяемых и действительно случайных чисел.

Вы можете задаться вопросом, кому нужна такая радикальная случайность. В конце концов, люди на протяжении тысячелетий с удовольствием бросали кости и подбрасывали монеты. Но есть приложения, в которых важно генерировать как можно больше случайности. «Люди этого не осознают, но без случайности цифровая жизнь не была бы безопасной и справедливой», — говорит Немитари Аиенкаученый-компьютерщик, интересующийся поддающейся проверке случайностью из Университета Ноттингем Трент в Великобритании. По его словам, каждый раз, когда вы подключаетесь к защищенной веб-странице или генерируете безопасный пароль, возникает определенный уровень случайности. А в машинное обучение встроена случайность.

Другое использование – поддержка демократии. В Чили, например, политики и государственные служащие подвергаются выборочным налоговым проверкам, и те, кого выбирают, склонны возражать, что система преследует их по гнусным причинам. «Все жалуются, что это охота на ведьм», — говорит Кристер Шальмодин из создателей CURBy в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST). Эти утверждения гораздо сложнее сделать, если в системе используется случайный маяк, числа которого получены из действительно случайных источников.

На данный момент чилийское правительство получает свою случайность от анализа, среди прочего, сейсмическая активность и продукция радиостанции Чилийского университета. Но это все же не совсем случайно: все-таки сейсмическая активность случается не просто так, и кто-то определяет плейлист радиостанции. И при этом его невозможно полностью отследить, учитывая, что люди не могут регулярно получать доступ к сейсмическим данным. Однако CURBy — это и то, и другое.

Генератор квантовой случайности

По словам Шалма, десять лет назад система «скреплялась клейкой лентой и молитвами». Именно тогда исследователи, стоящие за ним, впервые провели кропотливое доказательство принципа CURBy. За это время они работали над тем, чтобы сделать систему быстрой, автоматизированной и готовой к использованию – в любое время – любым человеком, имеющим доступ к Интернету.

Теперь CURBy — это ультрасовременное средство, ежедневно обрабатывающее тысячи запросов пользователей. Это могло бы помочь укрепить демократию, повысить доверие к судебным системам и даже внести гармонию в вечер семейных игр. “CURBy представляет собой работающую, общедоступную квантовую технологию. Для меня это захватывающая разработка”, – говорит Питер Браунфизик Парижского политехнического института.

«
Люди этого не осознают, но без случайности цифровая жизнь не была бы безопасной
«

Создать по-настоящему случайные числа сложно. Очень немногое во Вселенной действует по принципу истинной случайности, потому что, если только вы не имеете дело с квантовый материалвсегда существует механизм генерации чисел. Даже компьютеры, которые выдают «псевдослучайные» числа для создания надежных паролей, могут быть обмануты. Пароли генерируются из «начального» числа, и если вы знаете начальное число и алгоритм, в них вообще нет ничего случайного.

Вы могли бы пойти дальше и использовать «высокоэнтропийные» источники случайности, такие как непредсказуемые сроки радиоактивного распада куска материала – например, кобальта-60 или стронция-90. Это случайное квантовое событие, но оно сложно сделать удобным для пользователя. И если с вами в комнате никого нет, вы не всегда сможете доказать, что вы не просто выдумали числа.

Это также делает игру в Ятзи довольно опасной – а теперь, когда доступен CURBy, просто нет необходимости подвергать членов семьи воздействию радиации. Вместо этого CURBy полагается на пары фотонов, связанных квантовым явлением, называемым квантовая запутанность.

Когда две сущности запутаны, они ведут себя так, как будто в каком-то отношении представляют собой одно целое. Эта странная ситуация возникает, когда вы выполняете измерение одного из объектов, а затем выполняете аналогичное измерение другого. При определенных обстоятельствах первое измерение влияет на результат второго, даже если квантовые объекты были перемещены в противоположные стороны Вселенной и не могли обменяться никакой информацией. Это все равно, что бросить два кубика и обнаружить, что если на одном из них выпадает 6, то на другом всегда выпадает 1.

Запутывание между квантовыми объектами, известное как «жуткое действие на расстоянии» Альберта Эйнштейна, бросает вызов здравому смыслу: оно происходит без передачи какого-либо сигнала между ними. Никто никогда не придумал физического механизма того, как это происходит.

Внутри CURBy запутанность проявляется в измерениях свойства, называемого поляризацией. Пары запутанных фотонов разделяются и отправляются по оптическим волокнам в два пункта назначения на расстоянии 100 метров друг от друга. В каждом месте прибор измеряет поляризацию, причем между двумя измерениями проходит очень короткое время.

Далее, результаты измерений «коррелируются»: существует тонкая взаимосвязь между результатами, степень которой может анализировать CURBy. В «классических» условиях существует верхний предел этой степени, но если поведение действительно квантовое и, следовательно, случайное, предел превышен и может быть использован для получения случайных чисел. Это делается путем «очистки» присущей случайности с помощью метода, называемого экстракцией Тревизана. CURBy может выполнять около 250 000 измерений поляризации в секунду, а для получения конечного продукта требуется около 15 миллионов измерений: строка из 512 действительно случайных двоичных цифр или битов, которые люди могут использовать по своему усмотрению.

Если вы хотите точно знать, насколько случайны эти биты, для этого есть алгоритм. Учитывая, что в строке 512 бит, и каждый бит может быть равен 0 или 1, это означает, что их 2.⁵¹² возможные комбинации. «Это огромное количество возможностей», — говорит Шалм.

Все они должны появиться с одинаковой вероятностью, и Шалм и его коллеги смогли измерить вероятность появления определенной цепочки битов. Оно не идеально ровное, но вполне может быть и так. Думайте об этом как о желании иметь абсолютно ровную дорогу. Если уклон составляет 1 из 10, это крутой холм. Даже 1 из 100 – 1 метр подъема на 100 метров дороги – это заметно. Градиент, эквивалентный случайности CURBy, составляет 1 из более чем 184 квинтиллионов: настолько случайный, насколько кому-либо нужно.

Доказательство случайности

«Случайность — не единственное преимущество CURBy. На самом деле, главное, что любой может проследить происхождение чисел и доказать, что они случайны», — говорит Шалм. «В настоящее время не существует хорошего способа сделать это с помощью какого-либо генератора случайных чисел», — говорит он.

Чтобы проследить их случайность, исследователи CURBy позаимствовали данные из математика блокчейна используется для гарантии безопасности цифровых активов, таких как NFT и криптовалюта. По сути, это способ проверить, что, когда и кем было сделано (в сценарии, когда никто никому не доверяет), и все можно проследить вплоть до исходного результата эксперимента.

Другой фактор, который мешает кому-либо обмануть систему, заключается в том, что весь процесс распределен между различными институтами. NIST передает квантовые данные на обработку в аппаратуру в Университете Колорадо в Боулдере, а затем независимая криптографическая служба, известная как Distributed Randomness Beacon Daemon, добавляет свой собственный набор ингредиентов для извлечения истинной случайности, содержащейся в данных измерений, и преобразования ее в окончательную, однородную двоичную строку.

«Это почти как паутина связанных, упорядоченных во времени вещей», — говорит Шалм. «Ни одна сторона не имеет полного контроля над тем, что представляют собой случайные биты, и вы можете вернуться назад и посмотреть, не жульничал ли кто-нибудь или не пытался что-то изменить».

Интеграция всей необходимой физики с анализом безопасности высокого уровня «весьма примечательна», говорит Браун. Квантовые технологии Как правило, они все еще находятся на стадии разработки, отмечает он, и имеется мало готовых продуктов. Но будет ли CURBy полезен? Несомненно, говорит Браун, — хотя есть приложения, в которых определенно не следует использовать отслеживаемую случайность. «Вы не хотите выбирать свои пароли на основе общедоступного источника случайности», — говорит он.

Но отбор присяжных и судей по делам, получение результатов лотереи и рандомизированная выборка в клинических испытаниях — вот лишь некоторые примеры того, где прослеживаемая случайность была бы благом. Математик Оксфордского университета Артур Экерт тоже впечатлен. По его словам, то, как команда CURBy объединила квантовую и классическую физику для создания передовой, но доступной технологии, является знаком будущего.

Фактически, говорит Шалм, CURBy сам по себе специально разработан для совместимости с другими технологиями, которые появятся в будущем. Другими словами, настоящая случайность будет встроена во все наше будущее, делая мир более справедливым и безопасным. Это определенно лучше, чем подбрасывание монеты.

Темы: