Ερευνητές κατάφεραν να παράγουν πραγματικά τυχαίους αριθμούς χάριν σε κβαντικό φαινόμενο

Επιστήμονες από το National Institute of Standards and Technology (NIST) των ΗΠΑ κατάφεραν να μετατρέψουν τη θεμελιώδη τυχαιότητα της κβαντομηχανικής σε μια νέα, αξιόπιστη υπηρεσία παραγωγής τυχαίων αριθμών, με δυνατότητες που ξεπερνούν κατά πολύ τους υπάρχοντες αλγορίθμους. Η νέα αυτή προσέγγιση βασίζεται στην ίδια την αρχή της κβαντικής απροσδιοριστίας, αξιοποιώντας το φαινόμενο της εμπλοκής φωτονίων (entangled photons), και προσφέρει τυχαίους αριθμούς που είναι, σύμφωνα με τους δημιουργούς τους, αληθινά και επαληθεύσιμα τυχαίοι.

Η πρωτοβουλία αυτή ονομάζεται Colorado University Randomness Beacon (CURBy) και προέκυψε από τη συνεργασία του NIST με το University of Colorado Boulder. Το CURBy δημοσιεύει σε καθημερινή βάση τυχαίους αριθμούς στην ιστοσελίδα του, διαθέσιμους για χρήση από οποιονδήποτε, χωρίς περιορισμούς. Η μοναδικότητα αυτής της υπηρεσίας έγκειται στο γεγονός ότι οι αριθμοί που παράγονται δεν είναι αποτέλεσμα κάποιου αλγορίθμου, αλλά πηγάζουν από ένα πείραμα Bell, ένα θεμελιώδες τεστ της κβαντικής φυσικής που αποδεικνύει την ύπαρξη γνήσιας τυχαιότητας στο φυσικό Σύμπαν.

Ο Krister Shalm, φυσικός του NIST και επικεφαλής της ομάδας, εξηγεί ότι «η αληθινή τυχαιότητα είναι κάτι που δεν μπορεί να προβλεφθεί από τίποτα στο Σύμπαν». Ακόμη και οι πιο περίπλοκοι κλασικοί αλγόριθμοι παράγουν απλώς ψευδοτυχαίους αριθμούς, οι οποίοι μπορούν, σε θεωρητικό επίπεδο, να προβλεφθούν ή να χειραγωγηθούν. Αντίθετα, το CURBy βασίζεται στην εγγενή τυχαιότητα της κβαντομηχανικής, η οποία δεν υπακούει σε τέτοιους περιορισμούς.

Στον πυρήνα της διαδικασίας βρίσκεται η δημιουργία ζευγών εμπλεκόμενων φωτονίων. Αυτά τα φωτόνια δημιουργούνται μέσα σε έναν ειδικό μη γραμμικό κρύσταλλο και στη συνέχεια μεταφέρονται μέσω οπτικών ινών σε δύο διαφορετικά εργαστήρια, τοποθετημένα σε αντίθετες άκρες του ίδιου διαδρόμου. Εκεί, οι πολώσεις τους μετρώνται, και τα αποτελέσματα αυτών των μετρήσεων είναι πλήρως τυχαία. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται περίπου 250.000 φορές το δευτερόλεπτο, και στη συνέχεια τα δεδομένα αυτά επεξεργάζονται ώστε να παραχθούν 512 bits απόλυτης τυχαιότητας – δηλαδή ακολουθίες από 0 και 1 που κανείς δεν θα μπορούσε να προβλέψει.

Η παραγωγή αυτών των δεδομένων δεν είναι εύκολη υπόθεση. Οι πρώτες προσπάθειες του NIST το 2015 απαιτούσαν μήνες προετοιμασίας και μπορούσαν να λειτουργήσουν μόνο για λίγες ώρες. Η συλλογή επαρκών δεδομένων τότε για 512 bits τυχαιότητας ήταν χρονοβόρα. Ωστόσο, μέσα στα επόμενα χρόνια, η ομάδα κατάφερε να αναπτύξει ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα, ικανό να λειτουργεί αδιάλειπτα και με ακρίβεια. Στις πρώτες 40 ημέρες λειτουργίας του, το σύστημα παρήγαγε επιτυχώς τυχαίους αριθμούς σε 7.434 από τις 7.454 προσπάθειες, ποσοστό επιτυχίας που αγγίζει το 99,7%.

Ένα από τα πλέον καινοτόμα στοιχεία του CURBy είναι η διασφάλιση της ακεραιότητας των αποτελεσμάτων μέσω της χρήσης blockchain τεχνολογίας. Συγκεκριμένα, η ομάδα του NIST και του University of Colorado ανέπτυξε το Twine protocol, ένα σύστημα το οποίο επιτρέπει τον έλεγχο κάθε βήματος της παραγωγής τυχαιότητας. Το πρωτόκολλο χρησιμοποιεί hashes – δηλαδή ψηφιακά αποτυπώματα – για να «κλειδώνει» κάθε σύνολο δεδομένων, δημιουργώντας έτσι ένα διαφανές και ιχνηλατήσιμο ιστορικό των παραγόμενων αριθμών. Αυτό όχι μόνο αποτρέπει την οποιαδήποτε παρέμβαση στα δεδομένα, αλλά επιτρέπει και τη συνεργασία πολλών διαφορετικών φορέων στην παραγωγή ενός κοινού δικτύου τυχαιότητας, στο οποίο δεν έχει τον έλεγχο κανένα μεμονωμένο μέρος.

Ο Jasper Palfree, ερευνητής του έργου στο University of Colorado Boulder, εξηγεί ότι οποιοσδήποτε χρήστης μπορεί να επαληθεύσει τα δεδομένα πίσω από κάθε αριθμό που δημοσιεύεται. Το Twine protocol έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε στο μέλλον να μπορεί να υποστηρίζει και άλλες "beacons", δημιουργώντας ένα παγκόσμιο δίκτυο ανεξάρτητης και ελεγχόμενης τυχαιότητας.

Η προσπάθεια αυτή αντιπροσωπεύει έναν σπάνιο συνδυασμό πρωτοποριακής επιστήμης και πρακτικής εφαρμογής. Όπως αναφέρει ο Gautam Kavuri, μεταπτυχιακός φοιτητής που συμμετείχε στο έργο, η φιλοδοξία της ομάδας ήταν να δημιουργήσει κάτι χρήσιμο, βασισμένο στις πλέον προχωρημένες επιστημονικές γνώσεις. Το έργο είναι ανοιχτού κώδικα, δίνοντας τη δυνατότητα σε οποιονδήποτε να ελέγξει, να αξιοποιήσει ή και να επεκτείνει την πλατφόρμα για δικούς του σκοπούς.

Το CURBy μπορεί να χρησιμοποιηθεί οπουδήποτε χρειάζεται μια ανεξάρτητη και αξιόπιστη πηγή τυχαιότητας: από την επιλογή ενόρκων και τη διενέργεια ελέγχων μέχρι δημόσιες κληρώσεις ή την ασφάλεια υπολογιστικών συστημάτων. 

[via]