Geen disrespect voor Einstein, maar hij had zeker ongelijk over de kwantumtheorie – deze heeft niet alleen standgehouden, maar is ook onmisbaar gebleken in computing, biologie, optiek en zelfs gokspellen. Nu, verrassend genoeg, zou het zelfs de worpen met dobbelstenen kunnen revolutioneren. Willekeurigheid is essentieel voor digitale beveiliging en eerlijke verdeling van middelen, merkt een recent paper op van onderzoekers aan de Universiteit van Colorado Boulder en NIST. Het verkrijgen van echte willekeurigheid in de fysieke wereld is echter bijna onmogelijk. "Echte willekeurigheid is iets wat niets in het universum van tevoren kan voorspellen, " legt NIST-physicus Krister Shalm uit. Dit sluit klassieke voorbeelden uit zoals dobbelstenen gooien en veel door computers gegenereerde "willekeurige" getallen, die vaak voorspelbaar zijn. Kwantumfysica biedt hier een oplossing. Neem het dubbele-spleet-experiment: een fundamentele demonstratie waarbij een lichtbundel door twee spleten gaat en een onvoorspelbaar interferentiemotief creëert. In tegenstelling tot de klassieke mechanica zijn de locaties van de deeltjes probabilistisch, niet deterministisch, wat wijst op echte kwantumwillekeurigheid. Met behulp van een Bell-test – een methode die klassieke verklaringen voor meet- of correlatie-effecten uitsluit – kan kwantumwillekeurigheid worden bevestigd. Shalm meldt dat het benutten van deze correlaties kan leiden tot “de beste willekeurige generator die het universum toestaat. ” Maar hoe kan men de echtheid van zulke willekeurigheid verifiëren? Verificatie blijft lastig omdat veel reeksen er willekeurig uitzien maar dat niet zijn, en echte willekeurigheid vaak contra-intuïtief is. De oplossing ligt in een geavanceerde, loophole-vrije Bell-test die correlaties meet tussen paar fotonen onder omstandigheden die klassiek nabootsen onmogelijk maken. NIST gebruikte deze techniek in 2018 om certifyerbare willekeurige getallen te genereren. Peter Bierhorst, een wiskundige bij NIST, omschreef dit als een “fail-safe” die ervoor zorgt dat niemand de getallen kan voorspellen.

In tegenstelling tot voorspelbare muntenwissen produceert kwantumwillekeurige data statistische correlaties die uniek zijn voor kwantumsystemen. Ondanks de effectiviteit is deze aanpak complex en traag, en hangt deze sterk af van één enkele bron, die vatbaar is voor mogelijke manipulatie zonder dat dit wordt opgemerkt. Om dit te voorkomen pleit mede-auteur Gautam Kavuri voor “een echt paranoïde manier” om willekeurigheid te garanderen—iets zo robuust dat het mengen ervan door vervalsing snellere- dan-licht communicatie zou vereisen. Daar komt CURBy (Colorado University Randomness Beacon) in beeld, een krachtig nieuw hulpmiddel ontwikkeld door NIST en de Universiteit van Colorado Boulder om kwantumwillekeur buiten het lab te brengen als algemeen goed. CURBy genereert ongeveer 15 miljoen willekeurige getallen per minuut, wat resulteert in een enorme dataset die wordt doorgezonden voor verwerking en binnen zeven minuten 512 willekeurige bits oplevert—gelijk aan 2^512 (een getal van 155 cijfers) mogelijke uitkomsten. NIST noemt dit “de beste muntworp van het universum. ” Toch is het produceren van willekeurige getallen slechts de helft van het verhaal; ze verifiëren is even belangrijk. Het team ontwikkelde Twine, een protocol gebaseerd op het vervlechten van hashketens in een hash-grafiek—een geavanceerde variant van blockchain. Elk nieuw gegevensblok (dat een stap in het genereren van het getal vertegenwoordigt) wordt cryptografisch gekoppeld aan voorgaande blokken, waardoor onafgebroken manipulatie uiterst moeilijk wordt. Bovendien koppelt Twine hashes van meerdere onafhankelijke ketens aan elkaar, waardoor een gerichte acyclische graaf ontstaat. Elke kwaadaardige wijziging in één keten verstoort de consistentie in de andere, waardoor onopgemerkte vervalsing bijna onmogelijk is. Dit onderling verbonden netwerk wordt sterker naarmate meer onafhankelijke partijen meedoen. CURBy verspreidt zijn willekeurige getallen via een openbare website, zodat iedereen de gegevensintegriteit kan controleren. Jasper Palfree, een onderzoeksassistent, omschrijft het als “een tapijt van vertrouwen, ” een “netwerk van willekeur dat iedereen bijdraagt maar niemand controleert. ” Zo’n openheid en schaal zijn geschikt voor toepassingen zoals juryselectie of openbare loterijen, en zorgen voor eerlijkheid en transparantie. De oplossing vormt ook een elegante fusie van praktische bruikbaarheid met een complexe kwantumfysische uitdaging. Zoals Kavuri bevestigt: “NIST is een plek waar je de vrijheid hebt om projecten na te streven die ambitieuze doelen stellen, maar ook iets nuttigs opleveren. ”