Keine Beleidigung gegenüber Einstein, aber er lag sicherlich falsch mit seiner Theorie des Quantenmechanik – sie hat sich nicht nur behauptet, sondern auch in Bereichen wie Computing, Biologie, Optik und sogar Glücksspielen unentbehrlich erwiesen. Nun könnte sie auf faszinierende Weise das Werfen von Würfeln revolutionieren. Zufälligkeit ist entscheidend für die digitale Sicherheit und eine faire Ressourcenverteilung, schreibt ein aktuelles Papier von Forschern der University of Colorado Boulder und des NIST. Doch in der physischen Welt ist echte Zufälligkeit fast unmöglich zu erzeugen. „Wahre Zufälligkeit ist etwas, das nichts im Universum im Voraus vorhersagen kann“, erklärt der NIST-Physiker Krister Shalm. Das schließt klassische Beispiele wie Würfelwürfe und viele computer-generierte „Zufallszahlen“ aus, die oftmals vorhersehbar sind. Die Quantenphysik bietet hierfür eine Lösung. Nehmen wir das Doppelspaltexperiment: eine grundlegende Demonstration, bei der ein Lichtstrahl durch zwei Spalte eine unvorhersehbare Interferenzmuster erzeugt. Anders als bei der klassischen Mechanik sind die Positionen der Teilchen probabilistisch, nicht deterministisch, was die wahre Quanten-Zufälligkeit zeigt. Mit einem Bell-Test—einer Methode, die klassische Erklärungen für Messungskorrelationen ausschließt—kann die Quanten-Zufälligkeit zertifiziert werden. Shalm bemerkt, dass die Nutzung dieser Korrelationen den „bestmöglichen Zufallsgenerator, den das Universum erlaubt“, hervorbringen kann. Doch wie kann man die Echtheit solch einer Zufälligkeit verifizieren? Die Überprüfung ist schwierig, da viele Sequenzen zufällig erscheinen, es aber in Wirklichkeit nicht sind, und wahre Zufälligkeit oft kontraintuitiv ist. Die Lösung liegt in einem fortgeschrittenen, loophole-freien Bell-Test, der Korrelationen zwischen Photon-Paaren misst, unter Bedingungen, die klassische Nachahmungen ausschließen. Das NIST setzte diese Technik 2018 ein, um zertifizierbare Zufallszahlen zu erzeugen. Peter Bierhorst, ein Mathematiker des NIST, beschreibt es als eine „Ausfallsicherung“, die verhindert, dass jemand die Zahlen vorhersagen kann.

Im Gegensatz zu vorhersehbaren Münzwürfen erzeugt Quanten-Zufall statistische Korrelationen, die einzigartig für Quantensysteme sind. Trotz seiner Effektivität ist dieser Ansatz komplex und langsam, und er hängt entscheidend von einer einzigen Quelle ab, die potenziell manipuliert werden kann, ohne entdeckt zu werden. Um dem entgegenzuwirken, plädiert Mitautor Gautam Kavuri für eine „wirklich paranoide Methode“ zur Sicherstellung der Zufälligkeit—etwas so robust, dass Spoofing nur durch Überlichtkommunikation möglich wäre. Hier kommt CURBy (Colorado University Randomness Beacon) ins Spiel, ein leistungsstarkes neues Werkzeug, entwickelt von NIST und der University of Colorado Boulder, um Quanten-Zufälligkeit außerhalb des Labors als öffentlichen Dienst nutzbar zu machen. CURBy generiert etwa 15 Millionen Zufallszahlen pro Minute, produziert eine enorme Datenmenge, die verarbeitet wird, und liefert nach weniger als sieben Minuten 512 zufällige Bits—entsprechend 2^512 (eine 155-stellige Zahl) möglicher Ausgänge. Das NIST bezeichnet das als „den besten Münzwurf des Universums“. Doch die Produktion zufälliger Zahlen ist nur die halbe Wahrheit; ihre Verifizierung ist ebenso wichtig. Das Team entwickelte Twine, ein Protokoll, das auf der Verflechtung von Hash-Ketten in einem Hash-Grafen basiert—einer fortgeschrittenen Variante einer Blockchain. Jeder neue Datenblock (als Schritt bei der Zufallszahlengenerierung) ist kryptographisch mit vorherigen verbunden, was Manipulationen fast unmöglich macht. Zudem verknüpft Twine Hashes aus mehreren unabhängigen Ketten, die einen gerichteten azyklischen Graphen bilden. Eine bösartige Veränderung in einer Kette stört die Konsistenz in den anderen, wodurch Spoofing kaum unbemerkt möglich ist. Dieses vernetzte System wird mit zunehmender Teilnahme unabhängiger Akteure stärker. CURBy veröffentlicht seine Zufallszahlen über eine öffentlich zugängliche Webseite, sodass jeder die Integrität der Daten überprüfen kann. Jasper Palfree, ein wissenschaftlicher Assistent, beschreibt es als „ein Gewebe des Vertrauens“, ein „Netzwerk der Zufälligkeit, an dem alle mitwirken, das aber niemand alleine kontrolliert“. Diese Offenheit und Skalierbarkeit eignen sich für Anwendungen wie Juryauswahl oder öffentliche Lotterien, wo Fairness und Transparenz wichtig sind. Die Lösung verbindet auf elegante Weise praktische Nützlichkeit mit einer komplexen Herausforderung der Quantenphysik. Wie Kavuri betont, ist „NIST ein Ort, an dem man die Freiheit hat, ambitionierte Projekte zu verfolgen, die aber auch nützliche Ergebnisse bringen. “