Véletlenszám-generálás: a kvantumtechnológia új frontvonalán

Egykor a gyerekek is jól tudták, hogy a számoló-rímes versek, mint az „Eeny, meeny, miny, mo” nem biztosítanak igazi véletlenséget. És habár a pénzfeldobás vagy a kockadobás jobb lehet, ezek sem teljesen véletlenszerűek – ha pontosan tudnánk a kezdeti viszonyokat, a dobás útját, a gravitáció erejét és a szilárdáramlásokat, előre meg tudnánk jósolni az eredményt. A valódi véletlenség meglehetősen ritka jelenség.

A kvantummechanika azonban bebizonyította, hogy a véletlenség valóban létezik, és a világmindenség szövetébe van fűzve. Amikor egy kvantumentitás, például egy elektron vagy foton választ a két lehetőség közül, a döntés teljesen véletlenszerű – nincs kiszámítható ok a kvantum hatás mögött. A Colorado University Randomness Beacon, vagy CURBy, ezt a jelenséget használja ki. Ezen az évben került online állapotba, mint a világ első nyilvánosan elérhető, nyomon követhető és ellenőrizhető valódi véletlenszám-generálója.

Lehet, hogy az ember arra kíváncsi, hogy ki használja ezt a radikális véletlenséget. Végre milyen lényeges lehet, hogy valaki dobjon egy kockát vagy feldobjon egy pénzt? De vannak olyan alkalmazások, ahol a lehető legnagyobb véletlenség generálása elengedhetetlen. „Az emberek nem is sejtik, de digitális életünk biztonsága és igazságossága a véletlenség nélkül nem lehetséges,” mondja Ajienka Nemitari, a Nottingham Trent Egyetem számítógép-tudós, aki a verifikálható véletlenséggel foglalkozik. Minden alkalommal, amikor biztonságos weboldalra kapcsolódunk vagy biztonságos jelszót generálunk, valamilyen véletlenség játszik szerepet. A gépi tanulásban is beépített a véletlenség.

Egy másik felhasználási terület a demokrácia támogatása. Például Chile-ban a politikusokat és közjogi személyeket véletlenszerű adóbevallás ellenőrzés alá vetik, és az ilyen esetekben kiválasztott személyek általában panaszkodnak, hogy a rendszer célz minket valamilyen rosszindulatú okból. „Mindenki panaszkodik, hogy ez varázslatvadászat,” mondja Krister Shalm, az egyik CURBy-készítő az Egyesült Államok Nemzeti Mérnöki és Technológiai Intézetében (NIST). Ezek a kifogásokat sokkal nehezebbé teszi, ha a rendszer véletlenségbiztosítót használ, amelynek a számai valóban véletlenszerű forrásokból származnak.

Jelenleg a chilei kormány a szeizmikus aktivitás és a Chilei Egyetem rádiójának kimenetének elemzéséből nyeri a véletlenséget. Ez azonban még mindig nem teljesen véletlenszerű: hiszen a szeizmikus aktivitásnak van oka, és valaki dönti el a rádióállomás lejátszási listáját. Nem is teljesen nyomon követhető, mivel a szeizmikus adatokhoz nem mindig hozzáférünk. CURBy viszont mindkettőt biztosítja.

A kvantum véletlenszám-generáló

Tíz évvel ezelőtt a rendszer „csomós szalag és imádságokkal volt összefont”, ahogyan Shalm mondja. Akkor az CURBy mögött álló kutatók először bizonyították meg az elvét. Azóta a rendszert gyorsabbá, automatizáltá és bármikor használatra készre fejlesztették – bárki számára, aki hozzáfér az internethez.

A CURBy most egy cutting-edge létesítmény, amely napi ezer felhasználói kérést kezel. Segíthet a demokrácia megerősítésében, a bírósági rendszerekben való megbízhatóság javításában, és még a családi játékméreg éjszakáján is harmóniát teremthet. „CURBy egy működő, nyilvánosan elérhető kvantumtechnológia reprezentálása. Személy szerint ezt a fejlődést izgalmasnak találom,” mondja Peter Brown, fizikus a Párizsi Politikai Intézetben.

A valóban véletlenszerű számok létrehozása kemény feladat. A világmindenségben nagyon kevés dolog igazi véletlenséggel működik, mert kivéve a kvantum dolgokat, mindig van valamilyen mechanizmus a számok generálásának mögött. Még a „pseudorandom” számokat előállító számítógépek is, amikor biztonságos jelszavakat hoznak létre, kiszámíthatóak. A jelszavakat egy „mag” számból generálják, és ha ismerjük a magot és az algoritmust, akkor ezek egyáltalán nem véletlenszerűek.

Tovább is mehetünk, és „nagy entrópia” forrásokat használhatunk véletlenséghez, például egy anyag (például kobalt-60 vagy stroncium-90) radioaktív bomlásának előre nem látható időzítését. Ez egy véletlenszerű, kvantum-esemény, de nehezen tehető felhasználóbaráttá. És hacsak valaki nincs a szobában veled, nem mindig bizonyíthatod, hogy nem csak elképzeltél egy számot.

A CURBy helyett a kísérlet páros fotonokat használ, amelyek kvantum jelenség, a kvantumszármazékonyság révén kapcsolódnak össze. Amikor két entitás kapcsolódik össze, úgy viselkednek, mintha bizonyos tekintetben egyetlen dolog lenne. Ez a furcsa helyzet akkor mutatkozik meg, amikor egyik entitáson végrehajtunk egy mérést, majd hasonló mérést végezünk a másikon. Bizonyos körülmények között az első mérés befolyásolja a második eredményét, még akkor is, ha a kvantumobjektumokat a világmindenség ellentétes oldalára tolták, és nem cserélhettek semmilyen információt. Mintha két kockát dobunk, és felfedeznénk, hogy ha az egyiken 6 jelenik meg, a másikon mindig 1-es lesz.

A kvantumobjektumok közötti kapcsolatot Albert Einstein híresen „távoli szellemi cselekvésnek” nevezte, amely ésszerűtlennek tűnik: a kapcsolat létrejötte gyanánt nem küldődik semmiféle jel. Senki sem tudta felvilágosítani a fizikai mechanizmust, ahogyan ez történik.

Az CURBy-n belül a kapcsolat megjelenik a polárizáció nevű tulajdonság méréseiben. Páros kapcsolt foton el van választva, és 100 méter távolságra lévő két helyre kerül optikai fényvezetékeken keresztül. Minden helyen az eszköz mérné a polárizációt, és a két mérés között nagyon rövid idő telt el.

Ezután a mérések eredményeit „korrelálják”: a kimenetek között van egy finom kapcsolat, amelynek mértékét az CURBy képes elemezni. „Klasszikus” körülmények között van egy felső korlát ehhez a mértékhez, de ha a viselkedés valóban kvantumos, és így véletlenszerű, a korlát túllépésre kerül, és ezt fel lehet használni véletlenszámok előállítására. Ezt a „purifikálással” érik el a Trevisan kivonási technikával. Az CURBy másodpercenként körülbelül 250 000 polárizációs mérést képes végezni, és körülbelül 15 millió mérést vesz igénybe a végeredmény előállításához: 512 valóban véletlenszerű bináris számjegy, vagy bit, amelyet az emberek bárhogy használhatnak.

Ha pontosan tudni szeretnéd, mennyire véletlenszerűek ezek a bitek, van erre is algoritmus. Mivel 512 bit van egy sztringben, és minden bit 0 vagy 1 lehet, az azt jelenti, hogy 2^512 lehetséges kombináció létezik. „Ez egy óriási szám a lehetőségekből,” mondja Shalm.

Ezek közül mindnek egyenlő eséllyel kell megjelennie, és Shalm és kollégái mérhették annak valószínűségét, hogy egy adott bit-sorozat jelenik meg. Ez nem tökéletesen egyenlő, de majdnem olyan. Gondoljunk úgy rá, mintha egy teljesen lapos útról lenne szó. Ha a lejtés 1:10, az egy meredek domb. Még 1:100 – 1 méter emelkedés 100 méter hosszúságban – is észrevehető. Az CURBy véletlenségének ekvivalense 1:184 kvintilliónál több: olyan véletlenszerű, amire csak szükség van.

A véletlenség nem az CURBy egyetlen eladási pontja – valójában a fő dolog, hogy bárki visszakövetheti a számok eredetét, és bizonyíthatja, hogy véletlenszerűek, mondja Shalm. „Jelenleg nincs jó módja annak, hogy bármilyen véletlenszám-generátor esetén ezt megtegye,” mondja.

A CURBy kutatói a digitális eszközök, mint az NFT-ek és a kriptovaluta biztonságát garantáló blokklánc matematikából kölcsönöztek, hogy a véletlenségük nyomon követhetővé váljon. Lényegében ez egy módja annak, hogy ellenőrizze, mit tettek mikor és ki – olyan helyzetben, ahol senki nem bízik senki másban – és minden visszakövethető az eredeti kísérlet kimenetéig.

A másik tényező, amely megnehezíti a rendszer kiszámítását, hogy a teljes folyamat több intézmény között oszlik meg. A NIST átadja a kvantumadatokat a Coloradoi Egyetem Boulder-i kampuszának a feldolgozásra, majd egy független kriptográfiai szolgáltatás, a Distributed Randomness Beacon Daemon hozzáadja a saját hozzávalóit a mérési adatokban rejlő valódi véletlenség kinyeréséhez és a végeredmény, egyenletes bináris sztring formájában történő átalakításához.

„Olyan, mint egy pókálhárú, összekötött, időrendi dolgok,” mondja Shalm. „Egyetlen fél sem irányítja teljes egészében a véletlenszerű biteket, és visszamenőlegesen ellenőrizhető, hogy valaki becsapott-e vagy megpróbálta változtatni a dolgokat.”

A fizika és a magas szintű biztonsági elemzések integrációja „elég lenyűgöző”, mondja Brown. A kvantumtechnológiák általában még mindig nagyon fejlesztési fázisban vannak, kijelenti, és kevés teljes termék érhető el. De hasznos lesz-e az CURBy? A Brown szerint mindenképp igen – bár vannak olyan alkalmazások, ahol a nyomon követhető véletlenséget egyáltalán nem szabad használni. „Nem szeretnéd a jelszavakat olyan nyilvános véletlenségforrás alapján választani,” mondja.

De a birsági esetekben a tanúk és bírók kiválasztása, a lottóeredmények generálása és a klinikai vizsgálatokban a randomizált mintavételezés olyan példák, ahol a nyomon követhető véletlenség nagy segítség lenne. Az Oxfordi Egyetem matematikusa, Ekert Artur is meg van hatva. Az CURBy csapat által a kvantum- és a klasszikus fizika keverésével létrehozott cutting-edge, de hozzáférhető technológia a jövő jele, mondja.

Valójában, mondja Shalm, az CURBy kifejezetten kompatibilis a soron következő technológiákkal. Más szóval a valódi véletlenség minden jövőnkbe épül be, így a világ igazságosabb és biztonságosabb hely lesz. Ez biztosan jobb, mint egy pénzfeldobás.