В современном мире случайные числа играют ключевую роль в самых разных сферах: от криптографии и компьютерного моделирования до лотерей и распределения ресурсов в обществе. Однако вопрос о том, насколько по-настоящему случайны эти числа, остаётся открытым и вызывает сомнения у специалистов и пользователей. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) совместно с Университетом Колорадо в Боулдере представили квантовый генератор случайных чисел под названием Colorado University Randomness Beacon (CURBy), который способен устранять подобные сомнения и прокладывать новый маршрут в области генерации случайности. Основой работы CURBy стала квантовая механика и эксперимент с использованием так называемого теста Белла — уникального метода, который позволяет проверить квантовую запутанность частиц и, как следствие, получить числовые последовательности, чья случайность гарантирована самой природой. В 2015 году учёные из NIST провели один из самых убедительных опытов, доказывающих запутанность двух фотонов, а в 2018 году эта технология была использована для генерации случайных чисел.
Однако первые версии технологии требовали значительного времени — около 10 минут — для создания единой строки случайных чисел. Благодаря сотрудничеству с исследователями из Университета Колорадо, новая версия CURBy сокращает время генерации до 1 минуты, что резко повышает практическую ценность сервиса и его доступность. Текущая конфигурация сервиса позволяет создавать сотни случайных чисел ежедневно, которые затем публично транслируются на официальном сайте проекта, предоставляя прозрачный и свободный доступ к данным. Особенностью CURBy является не только использование фундаментальных квантовых эффектов, но и применение технологии блокчейна — надежного цифрового реестра, который обеспечивает верифицируемость и невозможность подделки данных на любом этапе производственного процесса. Любой пользователь может проследить полный путь формирования каждой последовательности случайных чисел, убедившись, что процесс полностью прозрачный и не подвержен манипуляциям.
Чтобы объяснить уникальность этого метода, полезно погрузиться в особенности квантовой физики. Основой генератора выступает эксперимент, в котором лазерный импульс направляют на специальный кристалл, вызывая рождение пары фотонов с запутанными поляризациями. Эти фотонные пары проходят через два пространственно разделённых измерительных модуля, между которыми поддерживается расстояние примерно в 100 метров. Настройки поляризационных фильтров меняются случайным образом, и в зависимости от этих настроек фотон либо проходит, либо блокируется — что фиксируется детекторами. Процесс повторяется с частотой порядка 250 тысяч циклов в секунду.
Уникальность метода в том, что результаты измерений фотонов, имеющих запутанное квантовое состояние, демонстрируют корреляции, которые невозможно объяснить классической физикой. В традиционном подходе предсказуемость событий ограничена физическими параметрами, но квантовая запутанность разрушает эти ограничения, обеспечивая истинную непредсказуемость и случайность исхода каждого события. Статистический анализ этих данных позволяет выделить чистый поток случайных чисел, устойчивых к любым внешним влияниям и аппаратным погрешностям. Многие сейчас используют генераторы случайных чисел, основанные на классических явлениях, вроде радиационного распада, но они по-прежнему зависят от аппаратных средств, чувствительных к температурам и внешним воздействиям. Методы, основанные на Bell-тестах, называются устройственно-независимыми, так как не требуют доверия к самому оборудованию, предоставляя математические гарантии случайности даже в случае аппаратных неисправностей или вмешательств.
При этом важным остаётся аспект доверия к тому, что сама организация, управляющая генератором, действительно проводит эксперимент корректно и неподдельно. Именно поэтому в CURBy была внедрена технология блокчейна — каждый этап процесса фиксируется с помощью криптографических хэшей, которые связываются друг с другом в хронологической последовательности, образуя цепочку блоков. Изменение данных в одном блоке повлечёт необходимость корректировки всех последующих, что практически исключает возможность подделки. Кроме того, исследователи создали протокол под названием Twine, в котором несколько участников процесса создают свои собственные цепочки блоков, которые затем переплетаются между собой, образуя нечто вроде цифрового «ткачества». Это значительно повышает устойчивость к попыткам обмана, поскольку любая попытка изменить данные одной из сторон будет выявлена путём анализа несоответствия с остальными цепочками.
Текущая реализация протокола охватывает NIST, который проводит квантовый эксперимент; Университет Колорадо, который занимается анализом данных; а также третью сторону — сервис Distributed Randomness Beacon Daemon, предоставляющий дополнительный независимый источник случайности. В перспективе планируется расширение участия и включение других аналогичных сервисов, что позволит создать масштабную и мультиаспектную систему проверки и генерации случайности. Практическая значимость разработки огромна. Криптография, лежащая в основе банковской безопасности, интернет-шифрования и защиты личных данных, требует действительно случайных чисел, устойчивых к предсказанию или взлому. Аналогично, компьютерные модели и симуляции в науке и индустрии зависят от надежного источника случайности для адекватного отражения процессов и принятия верных решений.
Кроме того, предоставление открытого сервиса генерации случайных чисел с высокой степенью доверия способствует справедливому распределению ресурсов в обществе. От выбора жюри при судебных разбирательствах до распределения государственных аудитов и даже организации честных лотерей — надежность и прозрачность случайных выборок становится критической для поддержания справедливости и доверия. Внедрение CURBy демонстрирует, как передовые научные открытия и цифровые технологии могут гармонично сочетаться, создавая решения для насущных проблем с повышенной эффективностью и доверием общества. NIST и Университет Колорадо доказали, что будущее генерации случайности — квантовое, а подкрепление этого доверия через блокчейн делает такой источник серьезным кандидатом на глобальное использование во множестве областей. Таким образом, CURBy становится не просто инновационным инструментом в сфере криптографии и вычислительной науки, он открывает новую страницу в понимании и применении случайности в демократических процессах и технологических системах будущего.
Сочетание квантовой запутанности и прозрачности блокчейна гарантирует, что случайные числа, созданные сегодня, будут оставаться надежным фундаментом для защиты информации и принятия решений завтрашнего дня.
