아인슈타인에게는 실례지만, 그는 양자 이론에 대해 분명히 오판했어요—양자 이론은 단지 견딘 게 아니라 컴퓨팅, 생물학, 광학, 심지어 도박까지 여러 분야에서 매우 귀중한 것으로 입증됐어요. 이제, 흥미롭게도, 이것이 주사위 던지기를 혁신할 수도 있답니다. 최근 콜로라도 대학 볼더 캠퍼스와 미국국립표준기술연구소(NIST)의 연구자들이 발표한 논문에 따르면, 무작위성은 디지털 보안과 공정한 자원 분배에 필수적입니다. 하지만 현실 세계에서 진정한 무작위성을 얻는 것은 거의 불가능하다고 해요. “진정한 무작위성은 우주 어디에도 예측할 수 없는 것”이라고 NIST 물리학자 크리스터 샬름이 설명합니다. 이는 주사위 던지기나 많은 컴퓨터 생성 ‘무작위’ 숫자가 종종 예측 가능하다는 고전적 예를 배제하는 말이기도 해요. 양자 물리학은 이런 문제를 해결하는 방법을 제공합니다. 예를 들어, 이중슬릿 실험이 있는데, 이는 빛의 빔이 두 개의 슬릿을 통과할 때 예측할 수 없는 간섭무늬를 생성하는 기본 실험입니다. 고전 역학과 달리, 입자 위치는 확률적이며, 결정론적이지 않아서 진정한 양자 무작위성을 보여줍니다. 벨 테스트라는 측정 상관관계의 고전적 설명을 차단하는 방법을 통해, 양자 무작위성을 인증할 수 있는데요, 샬름은 이러한 상관관계를 이용하면 ‘우주가 허용하는 최고의 난수발생기를 만들 수 있다’고 말합니다. 그런데 이러한 무작위성의 진위를 어떻게 검증할 수 있을까요? 검증은 쉽지 않습니다. 많은 시퀀스가 무작위인 것처럼 보여도 그렇지 않거나, 진정한 무작위성은 종종 직관에 반할 때도 있기 때문이죠. 해결책은 복잡한 완전 차단 벨 테스트를 사용하는데, 이 테스트는 광자 쌍 간의 상관관계를 측정하면서 고전적 모방이 배제되는 조건을 갖춥니다.

NIST는 2018년에 이 기술을 이용해 인증 가능한 난수를 생성했어요. NIST 수학자인 피터 비어호스트는 이를 “안전장치”라고 했는데, 이는 아무도 그 숫자를 예측할 수 없게 만든다는 의미입니다. 이는 예측 가능한 동전 던지기와는 달리, 양자 무작위성은 양자 시스템 고유의 통계적 상관관계를 만들어냅니다. 이 방법이 효과적임에도 불구하고, 복잡하고 속도가 느리며, 하나의 원천에 의존하기 때문에 잠재적 조작에 취약하다는 단점도 있습니다. 이를 해결하기 위해 공동 저자인 가우탐 카부리(Gautam Kavuri)는 ‘매우 과잉 방어적인’ 무작위성 보장을 주장하는데, 이는 속도를 초월하는 통신이 필요할 만큼 강력해서, 위조하려면 빛보다 빠른 방식이 필요하다는 겁니다. 여기에 ‘콜로라도 대학 난수 비콘(CURBy)’이 등장하는데, 이는 NIST와 콜로라도 대학이 개발한 강력한 새 도구로, 양자 무작위성을 연구실 밖에서도 공개적 선물로 사용할 수 있게 만든 거예요. CURBy는 매분 약 1500만 번의 난수 데이터를 생성하며, 이를 처리하는 데 7분도 채 걸리지 않아 512비트(즉, 2^512 가능한 결과, 155자리 숫자 수준)의 난수를 만들어 냅니다. NIST는 이것을 ‘우주의 최고의 동전 던지기’라고 부릅니다. 하지만 난수 생성만이 전부는 아니에요; 검증도 똑같이 중요하죠. 연구팀은 ‘트와인(Twine)’이라는 프로토콜을 개발했는데, 이는 해시 체인을 서로 엮은 고급 블록체인 형태인 해시 그래프로, 각각의 새 데이터(즉, 난수 생성 과정의 한 단계)는 이전 블록과 암호학적으로 연결되어 있어, 위조가 매우 어렵습니다. 더 나아가, 트와인은 여러 독립적인 해시 체인을 교차 연결하여 유향 무회로 그래프를 형성하는데, 이렇게 하면 한 체인에서 조작이 일어나면 다른 체인에서는 일관성을 잃게 되어 위조가 거의 불가능해집니다. 이런 분산 네트워크는 더 많은 독립 참여자가 가입할수록 더욱 강력해지죠. CURBy는 공개 웹사이트를 통해 난수를 전파하며, 누구나 데이터 무결성을 검증할 수 있게 합니다. 연구 보조원 재스퍼 팔프리(Jasper Palfree)는 이를 ‘신뢰의 태피스트리’ 또는 ‘모든 이가 기여하고 어느 한 사람도 통제하지 않는 난수의 네트워크’라고 표현합니다. 이런 개방성과 규모는 배심원 선정이나 공공 복권과 같이 공정성과 투명성을 확보해야 하는 응용 분야에 적합하며, 실용성과 복잡한 양자 물리학적 도전 과제의 우아한 융합도 보여줍니다. 가우탐 카부리는 “NIST는 야심차지만 동시에 실용적인 프로젝트를 추구할 수 있는 자유가 있는 곳”이라고 확언합니다.