Không muốn mất lòng Einstein, nhưng ông ấy chắc chắn đã nhầm về lý thuyết lượng tử — nó không chỉ tồn tại được mà còn chứng minh giá trị vô cùng trong lĩnh vực tính toán, sinh học, quang học và thậm chí trong các trò chơi may rủi. Thú vị hơn, nó có thể cách mạng hóa cả việc tung xúc xắc. Ngẫu nhiên là yếu tố thiết yếu cho an ninh kỹ thuật số và phân phối công bằng tài nguyên, theo một bài báo gần đây của các nhà nghiên cứu tại Đại học Colorado Boulder và NIST. Tuy nhiên, việc đạt được ngẫu nhiên chân thực gần như là điều không thể trong thế giới vật lý. “Ngẫu nhiên thực sự là thứ mà không thứ gì trong vũ trụ này có thể dự đoán trước, ” giải thích nhà vật lý của NIST, Krister Shalm. Điều này loại bỏ các ví dụ cổ điển như quay xúc xắc và nhiều số "ngẫu nhiên" do máy tính tạo ra, vốn thường có thể dự đoán được. Vật lý lượng tử cung cấp một cách vượt qua điều này. Lấy thí nghiệm khe đôi làm ví dụ: một thí nghiệm nền tảng mà tia sáng tạo ra một mẫu nhiễu loạn không thể dự đoán khi đi qua hai khe. Khác với cơ học cổ điển, vị trí của các hạt mang tính xác suất, không phải định đoạt, thể hiện ngẫu nhiên lượng tử chân thực. Bằng cách sử dụng thử nghiệm Bell — một phương pháp loại bỏ các lời giải thích cổ điển cho các mối tương quan đo lường — tính ngẫu nhiên lượng tử có thể được xác nhận. Shalm lưu ý rằng việc khai thác các mối tương quan này có thể tạo ra “máy tạo số ngẫu nhiên tốt nhất mà vũ trụ cho phép. ” Nhưng làm thế nào để xác minh tính xác thực của loại ngẫu nhiên này? Việc xác minh rất khó khăn vì nhiều chuỗi có vẻ ngẫu nhiên nhưng lại không phải vậy, và ngẫu nhiên chân thực thường trái với trực giác. Giải pháp nằm ở một thử nghiệm Bell nâng cao, không có lỗ hổng, đo lường các mối tương quan giữa các cặp photon trong điều kiện loại trừ khả năng mô phỏng cổ điển. NIST đã sử dụng kỹ thuật này vào năm 2018 để tạo ra các số ngẫu nhiên có thể chứng thực. Peter Bierhorst, một nhà toán học của NIST, mô tả đó như một “hệ thống an toàn tuyệt đối, ” đảm bảo rằng không ai có thể dự đoán được số của họ.

Khác với việc tung xúc xắc dự đoán được, ngẫu nhiên lượng tử tạo ra các mối tương quan thống kê đặc biệt chỉ có trong hệ lượng tử. Dù hiệu quả nhưng phương pháp này khá phức tạp và chậm, đồng thời phụ thuộc vào một nguồn duy nhất dễ bị tác động mà không thể phát hiện. Để đối phó, đồng tác giả Gautam Kavuri đề xuất một cách “rất paranoid” để đảm bảo ngẫu nhiên — thứ gì đó đủ độ bền để việc giả mạo đòi hỏi phải có truyền thông nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Giới thiệu CURBy (Chùm ngẫu nhiên của Đại học Colorado), một công cụ mạnh mẽ mới do NIST và Đại học Colorado Boulder phát triển nhằm mang tính ngẫu nhiên lượng tử ra khỏi phòng thí nghiệm và phục vụ cộng đồng. CURBy tạo ra khoảng 15 triệu số ngẫu nhiên mỗi phút, sản xuất một tập dữ liệu khổng lồ gửi đi xử lý và sau chưa đầy bảy phút đã cho ra 512 bit ngẫu nhiên — tương đương 2^512 (một số có 155 chữ số) khả năng kết quả. NIST gọi đó là “quyết định xúc xắc tốt nhất của vũ trụ. ” Tuy nhiên, tạo ra số ngẫu nhiên chỉ là một phần câu chuyện; việc xác minh chúng mới quan trọng không kém. Nhóm đã phát triển Twine, một giao thức dựa trên liên kết các chuỗi băm thành một đồ thị băm — một biến thể phức tạp của chuỗi khối. Mỗi khối dữ liệu mới (đại diện cho một bước trong quá trình tạo số ngẫu nhiên) được liên kết mã hóa với các khối trước đó, làm cho việc làm giả không thể phát hiện rất khó khăn. Thêm vào đó, Twine liên kết chéo các băm từ nhiều chuỗi độc lập tạo thành một đồ thị không theo hướng và không có chu kỳ. Mọi can thiệp độc hại vào một chuỗi sẽ làm gián đoạn tính nhất quán của các chuỗi khác, khiến việc giả mạo mà không bị phát hiện gần như không thể. Mạng lưới liên kết này càng mở rộng khi có thêm các bên độc lập tham gia. CURBy phát sóng các số ngẫu nhiên qua một trang web công cộng, cho phép bất kỳ ai kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu. Jasper Palfree, trợ lý nghiên cứu, mô tả đây như “một tấm vải thêu của lòng tin, ” một “mạng lưới ngẫu nhiên mà mọi người đóng góp nhưng không ai kiểm soát, ” hình thành một cộng đồng chung về tính ngẫu nhiên. Sự cởi mở và quy mô này phù hợp với các ứng dụng như chọn ngẫu nhiên cho ban giám khảo hoặc xổ số công cộng, đảm bảo công bằng và minh bạch. Giải pháp này cũng thể hiện sự kết hợp tinh tế giữa tính công dụng thực tiễn với một thách thức đầy phức tạp của vật lý lượng tử. Như Kavuri khẳng định, “NIST là nơi mà bạn có thể theo đuổi những dự án tham vọng nhưng cũng sẽ mang lại điều hữu ích. ”