Το όνομά σας μπορεί να επιλεγεί για καθήκοντα ενόρκου, έναν φορολογικό έλεγχο ή μια κλήρωση μέσω λαχείου γρήγορης επιλογής. Σε κάθε μία από αυτές τις περιπτώσεις, η επιλογή γίνεται από έναν υπολογιστή που χρησιμοποιεί μια γεννήτρια τυχαίων αριθμών. Πώς μπορεί όμως το κοινό να είναι βέβαιο ότι η διαδικασία είναι πραγματικά δίκαιη; Μία νέα, ανθεκτική στις παραβιάσεις μέθοδος για τη δημιουργία τυχαίων αριθμών ενδέχεται να προσφέρει αυτό το επίπεδο εμπιστοσύνης, αποτρέποντας τη χειραγώγηση ή τη δημιουργία προκαθορισμένων αποτελεσμάτων, σύμφωνα με ερευνητές σε άρθρο που δημοσιεύτηκε στις 11 Ιουνίου στο περιοδικό Nature.
«Είναι σημαντικό να υπάρχει μία δημόσια πηγή τυχαιότητας στην οποία όλοι να μπορούν να έχουν εμπιστοσύνη», δήλωσε ο φυσικός Γκαουτάμ Καβουρί από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Μπόλντερ του Κολοράντο. «Όσο υψηλότερο είναι το διακύβευμα μιας εφαρμογής ή όσο περισσότεροι άνθρωποι εμπλέκονται, τόσο μεγαλύτερο είναι και το κίνητρο για να αλλοιωθεί ή να παραβιαστεί μια γεννήτρια τυχαίων αριθμών. Αυτό το πρωτόκολλο επιτρέπει την επαλήθευση ότι η παραγωγή των αριθμών δεν έχει παραβιαστεί».
Οι περισσότερες από τις παραδοσιακές μεθόδους δημιουργίας τυχαίων αριθμών δεν είναι απολύτως τυχαίες. Οτιδήποτε βασίζεται σε μοτίβο μπορεί θεωρητικά να προβλεφθεί. Οι υπολογιστές δημιουργούν ψευδοτυχαίους αριθμούς μέσω αλγορίθμων. Αν όμως κάποιος καταφέρει να αναλύσει τον αλγόριθμο, μπορεί να προβλέψει το αποτέλεσμά του. Ακόμα και ένας πίθηκος που χτυπά πλήκτρα μπορεί να παράγει προβλέψιμες ακολουθίες βασισμένες στη διάταξη του πληκτρολογίου και στα χαρακτηριστικά των δακτύλων του.
Η απόλυτη απρόβλεπτη συμπεριφορά υπάρχει μόνο στον κβαντικό κόσμο, όπου τα υποατομικά σωματίδια δεν έχουν καθορισμένες ιδιότητες μέχρι να μετρηθούν. Οι επιστήμονες αξιοποιούν αυτή τη φυσική αρχή μέσω των λεγόμενων «δοκιμών Bell χωρίς κενά», πειραμάτων που χρησιμοποιούν εμπλεγμένα σωματίδια και ρυθμίσεις μέτρησης που επιλέγονται τυχαία σε πραγματικό χρόνο. Αυτές οι δοκιμές επιτρέπουν την επιβεβαίωση ότι τα αποτελέσματα είναι γνήσια τυχαία, ακόμη και όταν οι ίδιες οι συσκευές μέτρησης δεν είναι πλήρως αξιόπιστες. Η μέθοδος αυτή είναι γνωστή ως «τυχαιότητα ανεξάρτητη από συσκευές».
Ωστόσο, παραμένει το ερώτημα πώς μπορεί κανείς να επαληθεύσει ότι ολόκληρο το σύστημα δεν έχει χειραγωγηθεί. Το ερώτημα αυτό είναι κρίσιμο ιδίως για τα δημόσια τυχαία beacon – ψηφιακές πλατφόρμες που εκπέμπουν νέους τυχαίους αριθμούς ανά τακτά χρονικά διαστήματα. «Το χειρότερο που μπορεί να συμβεί αν ισχυρίζεστε ότι έχετε ένα τυχαίο beacon, είναι κάποιος να μπορέσει να προβλέψει τους αριθμούς σας πριν δημοσιευθούν», σχολίασε ο Ρότζερ Κόλμπεκ, εφαρμοσμένος μαθηματικός του Πανεπιστημίου της Υόρκης στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Για να αποφευχθεί ένα τέτοιο ενδεχόμενο, ο Καβουρί και οι συνεργάτες του σχεδίασαν ένα σύστημα που δεν βασίζεται σε ένα μοναδικό σημείο εμπιστοσύνης. Αντιθέτως, η εμπιστοσύνη κατανέμεται μεταξύ πολλών ιδρυμάτων, μέσω πολλών σημείων μέτρησης και της χρήσης «αλυσίδων κατακερματισμού». Οι αλυσίδες αυτές λειτουργούν ως κρυπτογραφικά αποτυπώματα που δεν μπορούν να τροποποιηθούν χωρίς να γίνουν αντιληπτές. Συνδυάζοντας πέντε τέτοιες αλυσίδες, καθεμία ελεγχόμενη από τρία ανεξάρτητα ιδρύματα, δημιουργείται ένα σύστημα που προσφέρει μία μορφή «απόδειξης χωρίς δυνατότητα αλλοίωσης».
Η παραγωγή των τυχαίων αριθμών ξεκινά στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας στο Κολοράντο, όπου ένα λέιζερ κατευθύνεται σε έναν κρύσταλλο, παράγοντας ένα ζεύγος εμπλεγμένων φωτονίων – σωματιδίων φωτός που μοιράζονται συσχετισμένες ιδιότητες. Τα φωτόνια αυτά αποστέλλονται μέσω οπτικών ινών σε δύο διαφορετικούς σταθμούς μέτρησης, οι οποίοι απέχουν μεταξύ τους 110 μέτρα, στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Μπόλντερ. Καθώς τα φωτόνια ταξιδεύουν, κάθε σταθμός επιλέγει τυχαία έναν τρόπο για να μετρήσει την πόλωσή τους, δηλαδή τον προσανατολισμό του ηλεκτρομαγνητικού τους πεδίου. Τα αποτελέσματα μετατρέπονται σε δυαδικά ψηφία: είτε 0 είτε 1.
Ο Καβουρί περιγράφει τη διαδικασία ως «πραγματικά παρανοϊκή», εξηγώντας ότι για να πλαστογραφηθεί το αποτέλεσμα, θα απαιτούνταν επικοινωνία ταχύτερη από την ταχύτητα του φωτός – κάτι που είναι φυσικά αδύνατο.
Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται περίπου 15 εκατομμύρια φορές το λεπτό, παράγοντας μία τεράστια ροή ακατέργαστων δυαδικών δεδομένων. Μετά από ενδελεχή έλεγχο ποιότητας, οι υπολογιστές στο Πανεπιστήμιο συνδυάζουν αυτή τη ροή με δεδομένα από τρίτο ανεξάρτητο ίδρυμα, επίσης πάροχο δημόσιου beacon. Στη συνέχεια, όλα τα δεδομένα επεξεργάζονται μέσω ενός αλγορίθμου που εξαλείφει πιθανά μοτίβα και εξασφαλίζει καθαρή τυχαιότητα. Το τελικό αποτέλεσμα είναι μία ακολουθία 512 δυαδικών ψηφίων (bits), πιστοποιημένης, γνήσιας τυχαιότητας.
Αυτά τα 512 bits αντιστοιχούν σε 10¹⁵⁴ διαφορετικούς πιθανούς συνδυασμούς – έναν αριθμό που ξεπερνά κατά πολύ το πλήθος των ατόμων στο παρατηρήσιμο σύμπαν.
Κατά τη διάρκεια δοκιμαστικής εφαρμογής 40 ημερών, το πρωτόκολλο εφαρμόστηκε πάνω από 7.000 φορές. Σε κάθε εκτέλεση, η πιθανότητα οι αριθμοί να μην είναι πλήρως τυχαίοι ήταν μικρότερη από 1 στις 18 πεντάκις εκατομμύρια. Σύμφωνα με τον Κόλμπεκ, το ποσοστό αυτό καθιστά το πρωτόκολλο εξαιρετικά ασφαλές.
Περισσότερα από τρία ιδρύματα μπορούν να συμμετάσχουν σε αυτό το δίκτυο, είτε δημιουργώντας τυχαίους αριθμούς είτε παρακολουθώντας και επαληθεύοντας γεγονότα στην αλυσίδα κατακερματισμού. Οι τελικοί αριθμοί μπορούν να δημοσιεύονται σε δημόσιες πλατφόρμες όπως το beacon του NIST. «Όσο περισσότερα μέρη εμπλέκονται στη διαδικασία», καταλήγει ο Καβουρί, «τόσο περισσότερο κατανέμεται και ενισχύεται η εμπιστοσύνη».
