Коначно смо открили како да правимо заиста насумичне бројеве

Еени, меени, мини, мо, ухвати тигра за прст – тако иде рима. Али чак и деца знају да одбројавање оваквих рима не помаже у доношењу заиста случајног избора. Можда се сећате када сте први пут схватили да можете да играте резултат пажљиво бирајући почетну тачку?

Бацање новчића или бацање коцкице може бити боље, али покушајте да докажете да је исход вашег бацања или бацања случајан и да ћете бити у застоју. То је зато што ове ствари нису заиста насумичне: ако бисте знали тачан положај коцкице или новчића у вашој руци, путању бацања, снагу гравитације и суптилне факторе попут отпора ваздуха или трења површине за слетање, могли бисте предвидети резултат. До праве случајности је тешко доћи.

Ствар је у томе што сада знамо да је случајност стварна, уклопљена у саму тканину универзума у ​​облику квантне механике. Уз избор између два пута, квантни ентитет – попут електрона или фотона светлости – ће узети један потпуно насумично: не постоји предвидљиви узрок иза квантног ефекта. Рандомнесс Беацон Универзитета у Колораду, од миља назван ЦУРБи, користи предност овог феномена. Појавио се на мрежи ове године као први јавно доступан извор на свету следљивих, проверљивих, заиста насумичних бројева.

Можда се питате коме је потребна таква радикална случајност. На крају крајева, људи су миленијумима радо бацали коцкице и новчиће. Али постоје апликације у којима је неопходно генерисати што је могуће више случајности. „Људи то не схватају, али без случајности, дигитални живот не би био безбедан ни фер“, каже Немитари Ајиенка, компјутерски научник са интересовањем за проверљиву случајност на Универзитету Нотингем Трент у Великој Британији. Сваки пут када се повежете на безбедну веб страницу или генеришете сигурну лозинку, постоји ниво случајности у игри, каже он. А машинско учење има случајност уграђену у обуку.

Друга употреба је подршка демократији. У Чилеу, на пример, политичари и јавни службеници су подвргнути насумичним пореским ревизијама, а они који су изабрани имају тенденцију да приговарају да систем циља на њих из подлог разлога. „Сви се жале да је то лов на вештице“, каже Кристер Шалм, један од креатора ЦУРБи-ја на америчком Националном институту за стандарде и технологију (НИСТ). Те тврдње је много теже изнети ако систем користи светионик за случајност чији су бројеви изведени из заиста случајних извора.

У овом тренутку, чилеанска влада добија свој случајност из анализе, између осталог, сеизмичке активности и резултата радио станице Универзитета Чиле. Али то још увек није сасвим случајно: сеизмичка активност се дешава са разлогом, на крају крајева, и неко одлучује о плејлисти радио станице. Нити се може у потпуности пратити, с обзиром на то да људи не могу рутински приступити сеизмичким подацима. ЦУРБи је, међутим, обоје.

Квантни генератор случајности

Пре десет година, према Шалму, систем је „држан заједно лепљивом траком и молитвама“. Тада су истраживачи који стоје иза тога први пут направили свој мукотрпан доказ принципа за ЦУРБи. У међувремену, радили су на томе да систем учине брзим, аутоматизованим и спремним за употребу – у било ком тренутку – од стране било кога ко има приступ интернету.

Сада је ЦУРБи најсавременија установа која се бави хиљадама корисничких захтева сваког дана. То би могло да помогне у јачању демократије, побољшању поверења у правосудне системе, па чак и да унесе хармонију у породично вече. „ЦУРБи представља функционалну, јавно доступну квантну технологију. За мене је ово узбудљив развој“, каже Питер Браун, физичар са Политехничког института у Паризу.

Стварање заиста случајних бројева је тешко. Врло мало у универзуму функционише истинском случајношћу јер, осим ако се не бавите квантним стварима, увек постоји механизам иза генерисања бројева. Чак и рачунари који производе „псеудо-случајне“ бројеве за креирање сигурних лозинки могу се играти. Лозинке се генеришу од „сеед“ броја, и ако знате семе и алгоритам, у њима нема ништа случајно.

Могли бисте ићи даље и користити изворе насумице „високе ентропије“, као што је непредвидиво време радиоактивног распада из грудве материјала – можда кобалта-60 или стронцијума-90. Ово је насумичан, квантни догађај, али онај који је тешко учинити прилагођеним кориснику. И осим ако неко није у соби са вама, не можете увек да докажете да нисте само измислили бројеве.

То такође чини прилично опасну игру Иахтзее – а са ЦУРБи-ом који је сада доступан, једноставно нема потребе да се чланови породице излажу зрачењу. Уместо тога, ЦУРБи се ослања на парове фотона повезаних квантним феноменом који се зове квантна запетљаност.

Када су два ентитета заплетена, они се понашају као да су, у неком погледу, једна ствар. Ова чудна ситуација се појављује када извршите мерење на једном од ентитета, а затим извршите слично мерење на другом. У одређеним околностима, прво мерење утиче на исход другог, чак и ако су квантни објекти премештени на супротне стране универзума и не могу да размене никакве информације. То је као да баците две коцкице и откријете да ако се једна појави као 6, друга се увек решава као 1.

Заплитање између квантних објеката, које је Алберт Ајнштајн назвало „сабласном акцијом на даљину“, пркоси здравом разуму: дешава се без слања сигнала између њих двојице. Нико никада није смислио физички механизам како се то дешава.

Унутар ЦУРБи-а, запетљаност се показује у мерењима својства званог поларизација. Парови уплетених фотона се раздвајају и шаљу кроз оптичка влакна на две дестинације удаљене 100 метара. На свакој локацији, апарат мери поларизацију, са веома кратким временом између два мерења.

Затим, резултати мерења су „корелирани“: постоји суптилна веза између исхода, чији обим ЦУРБи може анализирати. У „класичним“ условима постоји горња граница до те мере, али ако је понашање заиста квантно, а самим тим и насумично, граница је прекорачена и може се користити за производњу случајних бројева. Ово се ради „прочишћавањем“ инхерентне насумице коришћењем технике која се зове Тревисан екстракција. ЦУРБи може да изврши око 250.000 мерења поларизације у секунди, а потребно је око 15 милиона мерења да би произвео крајњи производ: низ од 512 заиста насумичних бинарних цифара, или битова, које људи могу да користе како год желе.

Ако желите да знате тачно колико су ти битови насумични, постоји алгоритам за то. С обзиром да у низу има 512 битова, а сваки бит може бити 0 или 1, то значи да постоје 2⁵¹² могуће комбинације. „То је огроман број могућности“, каже Шалм.

Требало би да постоји једнака вероватноћа да ће се сви они појавити, а Шалм и његове колеге су успели да измере вероватноћу појаве одређеног низа битова. Није савршено равномерно, али може и бити. Замислите то као да желите пут који је потпуно раван. Ако је нагиб 1 према 10, то је стрмо брдо. Чак 1 на 100 – 1 метар успона на 100 метара пута – је приметно. Градијент еквивалентан случајности ЦУРБи-а је 1 према више од 184 квинтилиона: насумичан колико год је било коме потребно.

Доказивање случајности

Случајност није једина продајна тачка ЦУРБи-ја – у ствари, главна ствар је да свако може ући у траг бројевима одакле су дошли и доказати да су насумични, каже Шалм. „Тренутно не постоји добар начин да се то уради са било којом врстом генератора случајних бројева“, каже он.

Да би њихова случајност била следљива, истраживачи ЦУРБи-а су позајмили од математике блокчејна која се користи да гарантује сигурност дигиталне имовине попут НФТ-а и криптовалута. То је у суштини начин да се провери шта је када и ко урадио – у сценарију где нико никоме не верује – и све се може пратити до првобитног резултата експеримента.

Други фактор који отежава било коме да игра систем је то што је цео процес распоређен међу низом институција. НИСТ прослеђује квантне податке апарату на Универзитету Колорадо Боулдер за обраду, а затим независна криптографска услуга позната као Дистрибутед Рандомнесс Беацон Даемон додаје сопствени скуп састојака за издвајање праве случајности садржане у подацима мерења и претварање у коначни, униформни бинарни низ.

„То је скоро као паукова мрежа повезаних, временски распоређених ствари“, каже Шалм. „Ниједна страна нема потпуну контролу над тим шта су насумични битови, и можете се вратити и видети да ли је неко варао или покушао да промени ствари.”

Интеграција све неопходне физике са безбедносним анализама високог нивоа је „прилично изванредна“, каже Браун. Квантне технологије су генерално још увек у фази развоја, истиче он, са мало доступних комплетних производа. Али да ли ће ЦУРби бити користан? Без сумње, каже Браун – иако постоје апликације у којима дефинитивно не би требало да користите случајност која се може пратити. „Не желите да бирате своје лозинке на основу јавног извора насумице“, каже он.

Али избор поротника и судија за случајеве, генерисање резултата лутрије и насумично узимање узорака у клиничким испитивањима су неки од примера где би следљива случајност била благодат. Импресиониран је и математичар Универзитета Оксфорд Артур Екерт. Начин на који је ЦУРБи тим спојио квантну и класичну физику како би створио најсавременију, али приступачну технологију, знак је ствари које долазе, каже он.

У ствари, каже Шалм, ЦУРБи је сам по себи експлицитно дизајниран да буде компатибилан са другим технологијама које долазе у низу. Другим речима, истинска случајност ће бити уграђена у сву нашу будућност, чинећи свет праведнијим и сигурнијим местом. Сигурно је бољи од бацања новчића.