Ingen skada å Einstein, men han hade definitivt fel om kvantteorin – den har inte bara bestått utan också visat sig ovärderlig inom datavetenskap, biologi, optik och till och med hasardspel. Nu kan den, förvånande nog, komma att revolutionera tärningskast. Slumpen är avgörande för digital säkerhet och rättvis resursfördelning, påpekar ett nyligen publicerat papper av forskare vid University of Colorado Boulder och NIST. Men att åstadkomma äkta slump är nästintill omöjligt i den fysiska världen. “Äkta slump är något som ingenting i universum kan förutsäga i förväg, ” förklarar NIST-fysikern Krister Shalm. Detta utesluter klassiska exempel som tärningskast och många datorgenererade “slumpmässiga” nummer, vilka ofta är förutsägbara. Kvantfysiken erbjuder en lösning. Ta dubbelspalte-experimentet: ett grundläggande bevis där en ljusstråle skapar ett oförutsägbart interferensmönster när den passerar genom två spalter. Till skillnad från klassisk mekanik är partiklarnas positioner probabilistiska, inte deterministiska, vilket visar äkta kvant slump. Med hjälp av ett Bell-test – en metod som filtrerar bort klassiska förklaringar till mätkorrelationer – kan man certifiera kvantslump. Shalm nämner att utnyttjandet av dessa korrelationer kan skapa “den bästa slumpgenerator som universum tillåter. ” Men hur kan man verifiera äktheten av sådan slump? Verifikation är svårt eftersom många sekvenser verkar slumpmässiga men inte är det, och sann äkta slump är ofta kontraintuitiv. Lösningen är ett avancerat, loophål-fritt Bell-test som mäter korrelationer mellan photonpar under villkor som utesluter klassisk imitation. NIST använde denna teknik 2018 för att producera certifierade slumpnummer. Peter Bierhorst, en matematikforskare vid NIST, beskrev det som ett “fail-safe, ” som säkerställer att ingen kan förutsäga deras nummer.

Till skillnad från förutsägbara myntkast producerar kvantslump statistiska korrelationer unika för kvantsystem. Trots sin effektivitet är denna metod komplex och långsam, och den är kritiskt beroende av en enda källa, som kan vara sårbar för manipulation utan upptäckt. För att motverka detta förespråkar medförfattaren Gautam Kavuri “en mycket paranoid metod” för att garantera slumpen – något så robust att förfalskning skulle kräva snabbare än ljusets kommunikation. Här kommer CURBy (Colorado University Randomness Beacon), ett kraftfullt nytt verktyg utvecklat av NIST och University of Colorado Boulder för att ta kvantslump ut ur laboratoriet och till allmänheten. CURBy genererar slumpmässiga nummer ca 15 miljoner gånger varje minut, vilket ger en massiv datamängd som skickas för bearbetning och ger 512 slumpmässiga bitar på under sju minuter – motsvarande 2^512 (en 155-siffrig siffra) möjliga utfall. NIST kallar detta “universums bästa myntkast. ” Men att producera slumpnummer är bara halva jobbet; att verifiera dem är lika viktigt. Teamet utvecklade Twine, ett protokoll baserat på att sammanfläta hash-kedjor i en hash-graf – ett mer avancerat blockkedjevariant. Varje ny databit (som representerar ett steg i slumpgenereringen) är kryptografiskt länkad till tidigare block, vilket gör otillåten manipulation extremt svårt. Dessutom korslänkar Twine hashvärden från flera oberoende kedjor, som bildar en riktad acyklisk graf. En skadlig förändring i en kedja stör konsistensen i de andra, vilket gör förfalskning utan upptäckt nästintill omöjligt. Detta sammankopplade nätverk stärks ju fler oberoende par som deltar. CURBy sänder sina slumpnummer via en offentlig webbplats, så att vem som helst kan verifiera dataintegriteten. Jasper Palfree, en forskningsassistent, beskriver det som “ett nät av förtroende, ” en “slumpens nätverk som alla bidrar till men ingen kontrollerar. ” Sådan öppenhet och skala passar för tillämpningar som jurysortering eller offentliga lotterier, för att säkerställa rättvisa och transparens. Lösningen är även en elegant förening av praktisk nytta med en komplex kvantfysikalisk utmaning. Som Kavuri konstaterar: “NIST är en plats där man har friheten att ägna sig åt ambitiösa projekt som samtidigt ger något användbart. ”