Без обид Эйнштейну, но он вполне ошибался относительно квантовой теории — она не только выдержала испытание временем, но и оказалась бесценной в области вычислений, биологии, оптики и даже азартных игр. И что интересно, она может революционизировать броски костей. Случайность важна для цифровой безопасности и справедливого распределения ресурсов, отмечается в недавней статье исследователей из Университета Колорадо в Бауэре и Национального института стандартов и технологий (NIST). Однако достижение истинной случайности практически невозможно в физическом мире. «Истинная случайность — это такая, которую ничто во Вселенной не может предсказать заранее», объясняет физик из NIST Кристер Шальм. Это исключает классические примеры, такие как броски костей и многие компьютерно-сгенерированные «случайные» числа, которые часто предсказуемы. Квантовая физика предлагает решение этой задачи. Возьмем эксперимент с двухщелевой дифракцией — один из фундаментальных опытов, где beam света создает непредсказуемую интерференционную картину при прохождении через две щели. В отличие от классической механики местоположение частиц определено вероятностно, а не детерминировано, что демонстрирует истинную квантовую случайность. Используя тест Белла — метод, исключающий классические объяснения корреляций измерений — можно подтвердить квантовую случайность. Шальм отмечает, что использование этих корреляций позволяет создать «лучший генератор случайных чисел, который позволяет вселенная». Но как убедиться в подлинности такой случайности? Проверка сложна, так как многие последовательности кажутся случайными, но на самом деле таковыми не являются, а истинная случайность зачастую кажется противоречивой интуиции. Решение — в использовании усовершенствованного глухого теста Белла, который измеряет корреляции между парами фотонов при условиях исключения классической имитации. В 2018 году NIST применил этот метод для получения подтвержденных случайных чисел. Математик из NIST Питер Бирхорст охарактеризовал это как «неотъемлемую защиту», гарантирующую, что никто не сможет предсказать их числа.

В отличие от предсказуемых подбрасываний монеты, квантовая случайность порождает статистические корреляции, уникальные для квантовых систем. Несмотря на эффективность, такой подход сложен и медленен, и в критической мере зависит от одного источника, который может быть подделан без обнаружения. Чтобы устранить этот риск, соавтор Гаутам Кавури предлагает «по-настоящему параноидальный способ» гарантировать случайность — что-то настолько надежное, что подделка потребует быстрей-than-световой связи. Встречайте CURBy (Colorado University Randomness Beacon) — мощный новый инструмент, созданный NIST и Университетом Колорадо в Бауэре, предназначенный вывести квантовую случайность за стены лабораторий в публичное пользование. CURBy генерирует случайные числа примерно 15 миллионов раз в минуту, создавая огромный набор данных, который после обработки дает 512 случайных бит за меньше чем семь минут — это равносильно 2^512 (почти 155 цифр) возможных исходов. NIST называет это «лучшим подбрасыванием монеты во вселенной». Но производство случайных чисел — лишь половина дела; их проверка не менее важна. Команда разработала протокол Twine, основанный на переплетении хэш-цепей в хэш-граф — сложной вариации блокчейна. Каждый новый блок данных (отображающий этап генерации случайных чисел) криптографически связан с предыдущими, делая подделку практически невозможной. Кроме того, Twine объединяет хэши из нескольких независимых цепей, формируя ориентированный ациклический граф. Любое злоумышленное изменение одной цепи нарушает согласованность всей системы, делая подделку практически невозможной без обнаружения. Такая сеть становится сильнее по мере присоединения новых участников. CURBy транслирует свои случайные числа через открытый сайт, позволяя любому проверить целостность данных. Исследователь-ассистент Джаспер Палфри описывает это как «гобелен доверия», «сеть случайностей, в которой каждый участвует, но никто не контролирует». Такая открытость и масштаб делают эту систему пригодной для таких задач, как отбор судебных присяжных или государственные лотереи, обеспечивая справедливость и прозрачность. Этот проект является элегантным сочетанием практической выгоды и сложной квантовой физической задачи. Как уверяет Кавури, «NIST — это место, где у вас есть свобода заниматься проектами амбициозными, но одновременно полезными».