تولید تصادفی ترین اعداد تصادفی به کمک مکانیک کوانتومی

شاید برای پختن شام یا رانندگی تا محل کار نیازی به اعداد تصادفی نداشته باشید؛ اما اعداد تصادفی نقشی بسیار کلیدی در زندگی ما بازی می کنند. بسیاری از علوم تنها به کمک اعداد تصادفی هستند که می توانند نقش خود را در زندگی انسان ایفا کنند و دانشمندان ثابت کرده اند حتی طبیعت نیز به شکلی کاملا گسترده از اعداد تصادفی استفاده می کند. یکی از کلیدی ترین نقش های اعداد تصادفی در زندگی انسان مدرن مربوط به حوزه رمزنگاری و امنیت سایبری است. الگوریتم های رمزنگاری از اعداد تصادفی برای حفاظت از داده ها استفاده می کنند اما همیشه خطر لو رفتن الگوریتم مورد استفاده و در خطر قرار گرفتن اطلاعات رمزنگاری شده وجود دارد. در نتیجه کیفیت تولید اعداد تصادفی و به عبارتی “واقعا تصادفی بودن” آنها اهمیت بسیار زیادی دارد.

اخیرا محققین مرکز ملی استاندارد و تکنولوژی ایالات متحده (NIST) به دنبال استفاده از فیزیک و مکانیک کوانتومی برای ایجاد تصادفی ترین اعداد تصادفی ممکن هستند. پیتر بیرهورست از NIST در مصاحبه ای با گیزمودو درباره این پژوهش عنوان کرده دقت تولید اعداد واقعا تصادفی توسط مکانیک کوانتومی را می توان با این اصل قطعی طبیعت مقایسه کرد که هیچ پدیده ای قادر نیست با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند. برای اینکه چیزی واقعا تصادفی باشد می بایست آن را غیر قابل پیش بینی کرد و مکانیک کوانتومی دقیقا همین خصوصیت را دارد. در واقع اگر با قوانین مکانیک کوانتومی آشنا باشید می دانید که به محض آنکه پدیده ای مورد اندازه گیری یا حتی مشاهده قرار گیرد ماهیت آن دچار تغییر خواهد شد و در نتیجه همه اتفاقات در دنیای کوانتوم به صورت 100% غیر قابل پیش بینی هستند. در این پژوهش از خاصیتی در علم کوانتوم به نام در هم تنیدگی استفاده شده است. برای مثال در هم تنیدگی زمانی رخ می دهد که دو فوتون نور به صورت همزمان تولید شده و سپس با هم برهمکنش داشته باشند تا در حالت در هم تنیده قرار گیرند. در چنین شرایطی حتی اگر فاصله این دو فوتون از هم زیاد باشد هم نمی توان بدون دانستن اطلاعات یکی از آنها درباره دیگری اطلاعاتی به دست آورد و حتی همین کسب اطلاعات از هر دو فوتون هم باید دقیقا در یک زمان صورت گیرند. در نتیجه می توان گفت استفاده از چنین تکنیکی می تواند منجر به تولید اعدادی واقعا تصادفی شود که پیش بینی و رمزگشایی آنها تقریبا غیر ممکن است. برای تولید 1024 عدد باینری تصادفی به 10 دقیقه زمان و تولید 55 میلیون فوتون نیاز است. از آنجا که داده های رایانه ای به جای مبنای 10 به صورت باینری ذخیره می شوند، در نتیجه 1024 عدد باینری می توانند 2 به توان 1024 حالت داشته باشند که معادل یک کیلوبیت است. با اینکه هنوز برای استفاده از رمزنگاری کوانتومی در دنیای واقعی کمی زود است اما در آینده می توان سامانه هایی ایجاد کرد که به کمک این تکنولوژی از سطح فوق العاده بالایی از امنیت بهره می برند.