تولید اعداد کاملاً تصادفی یکی از دشوارترین چالشهای علم فیزیک و علوم رایانه به شمار میرود. دلیل این موضوع آن است که تنها با نگاه کردن به خروجی نمیتوان تشخیص داد که یک توالی واقعاً تصادفی است یا خیر.
برای مثال، تاسها ممکن است دارای نقصهای فیزیکی باشند که بر نتیجه پرتاب تأثیر بگذارد. تولیدکنندههای اعداد تصادفی در رایانهها نیز معمولاً بر پایه الگوریتمها کار میکنند و حتی شیر یا خط انداختن یک سکه هم در نهایت تابع قوانین فیزیکی قابل پیشبینی است.
چالش اصلی، تولید اعدادی که «تصادفی به نظر میرسند» نیست؛ بلکه اثبات این موضوع است که هیچ فردی نمیتوانسته نتیجه را از پیش پیشبینی کند و هیچ قانون پنهان یا سوگیری ناشناختهای در کار نبوده است.
اکنون گروهی از فیزیکدانان دانشگاه ETH زوریخ در سوئیس موفق شدهاند این مانع را پشت سر بگذارند و برای نخستین بار چیزی را تولید کنند که آن را «تصادفیبودن کامل و قابل اثبات» مینامند.
راز این دستاورد؛ درهمتنیدگی کوانتومی
پژوهشگران برای دستیابی به این هدف از یکی از عجیبترین پدیدههای مکانیک کوانتومی یعنی درهمتنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) استفاده کردند.
به گفته «رناتو رنر»، فیزیکدان ETH زوریخ:
«توالی صفرها و یکهایی که تولید کردهایم اکنون واقعاً کاملاً تصادفی است و حتی میتوانیم این موضوع را اثبات کنیم.»
چرا تصادفیبودن اهمیت دارد؟
تصادفیبودن پایه و اساس امنیت دیجیتال مدرن است. مواردی مانند:
- رمزهای عبور
- کدهای احراز هویت
- کلیدهای رمزنگاری
- سامانههای امنیتی
همگی به تولید اعداد غیرقابل پیشبینی وابسته هستند.
اگر یک سیستم تولید اعداد تصادفی نقص داشته باشد، مهاجمان میتوانند الگوهای آن را شناسایی کرده و امنیت سامانه را به خطر بیندازند.
برای نمونه در سالهای اخیر آسیبپذیریهایی در برخی نرمافزارها و حتی پردازندهها کشف شد که به دلیل تولید اعداد بهظاهر تصادفی اما قابل پیشبینی، امنیت کاربران را تهدید میکردند.
آزمایش بل؛ قلب این پروژه
دانشمندان برای حل این مشکل از آزمایشی موسوم به آزمایش بل (Bell Test) استفاده کردند.
در این آزمایش:
- دو کیوبیت (بیت کوانتومی) در فاصله ۳۰ متری از یکدیگر قرار گرفتند.
- دمای سیستم تا نزدیکی صفر مطلق کاهش یافت.
- بیش از یک میلیارد آزمایش بل طی حدود ۹ ساعت انجام شد.
نتایج بهدستآمده نشان داد همبستگی میان این ذرات آنقدر قوی است که نمیتوان آن را با قوانین کلاسیک یا برنامهریزی قبلی توضیح داد.
تقویت تصادفیبودن
نکته مهم این پژوهش آن است که محققان از ابتدا به سراغ یک منبع کاملاً تصادفی نرفتند.
آنها فرآیندی به نام تقویت تصادفیبودن (Randomness Amplification) را به کار بردند؛ روشی که در آن، تصادفیبودن ناقص و دارای سوگیری به تصادفیبودنی تبدیل میشود که از نظر ریاضی کاملاً غیرقابل پیشبینی است.
پژوهشگران تأکید میکنند که چنین کاری با روشهای کلاسیک اساساً غیرممکن است و تنها با استفاده از پدیدههای کوانتومی امکانپذیر میشود.
تصادفیبودن مستقل از سختافزار
یکی از مهمترین ویژگیهای این دستاورد، استقلال از دستگاه (Device Independence) است.
در بسیاری از سیستمهای فعلی باید به سختافزار اعتماد کرد؛ اما در این روش، اعتبار تصادفیبودن به رفتار کوانتومی مشاهدهشده وابسته است، نه به خود دستگاه.
به همین دلیل حتی اگر نسبت به سختافزار تردید وجود داشته باشد، همچنان میتوان از تصادفیبودن خروجی اطمینان داشت.
گامی مهم برای آینده امنیت و فناوری
پژوهشگران معتقدند این فناوری در آینده میتواند نقشی مشابه ساعتهای اتمی ایفا کند؛ یعنی همانطور که ساعتهای اتمی مرجع جهانی اندازهگیری زمان هستند، این سامانه نیز میتواند به مرجع استاندارد تولید تصادفیبودن تبدیل شود.
رناتو رنر در این باره میگوید:
«برای نخستین بار موفق شدیم اعداد تصادفیای تولید کنیم که برای همیشه کاملاً تصادفی باقی خواهند ماند؛ فارغ از اینکه در آینده چه روشهای تحلیلی برای بررسی آنها توسعه پیدا کند.»
