Wetenschappers Over De Hele Wereld Zijn Op Jacht Naar Pure Willekeur

{h1}

Quantum weirdness en twitter-feeds voegen toe aan de entropie in deze openbare willekeurbakens.

Je neemt de snelweg om naar huis te gaan en op water te gaan voor een drankje. Maar heb je ooit de behoefte gevoeld aan een aantal publiekelijk beschikbare willekeur?

Overheden en onderzoekers van over de hele wereld denken dat je misschien met projecten in de maak bent om openbare bronnen of "bakens" van willekeur te produceren. Van kwantumfysica-experimenten tot gedistribueerde projecten die iedereen met een laptop kan helpen produceren, een breed scala aan inspanningen is erop gericht om willekeur in uw vingertoppen te brengen.

Publiek beschikbare willekeur helpt bij het waarborgen van online veiligheid, vrije verkiezingen en eerlijke immigratiepraktijken - en kan zelfs helpen om diepgaande vragen over de aard van het universum aan te pakken. Maar het maken van deze willekeurbakens - veilige, echt willekeurige getallen die het publiek kan vertrouwen - stelt enorme uitdagingen, waardoor onderzoekers naar het kwantumrijk gaan en verder op zoek naar fundamenteel onvoorspelbare verschijnselen. Dit is waarom wetenschappers randomiteit zien als een openbaar nut - en hoe ze proberen een puinhoop voor je te maken.

Wat telt als willekeurig?

We hebben het allemaal meegemaakt, maar weten misschien niet precies wat het is: toeval is het niveau van wanorde en onvoorspelbaarheid in een systeem. Ware, pure willekeur is fundamenteel onvoorspelbaar, zei natuurkundige Krister Shalm, die kwantumexperimenten leidt voor het Amerikaanse National Institute van standaarden en technologie (NIST). Als je bijvoorbeeld een bron van echt willekeurige getallen voor altijd hebt bekeken, zijn je kansen om een ​​bepaald getal te krijgen, hetzelfde. (Willekeurigheid verschilt enigszins van de verwante term entropie, wat een numerieke maat is voor wanorde.) [De 11 mooiste wiskundige vergelijkingen]

Waarom zou iemand de wanorde in de wereld willen vergroten? Het blijkt dat openbare bronnen van willekeur een aantal taken kunnen ondersteunen, van het beveiligen van complexe cryptografie tot schuifelende kaartspellen in online games, zei Ewa Syta, een computerwetenschapper aan het Trinity College in Connecticut.

"Publieke willekeur wordt gebruikt in... elk systeem dat op de een of andere manier een beslissing moet nemen... om alles te doen waar je maar wilt, een eerlijke manier om het eens te worden," vertelde Syta aan WordsSideKick.com. "Kortom, wat openbare willekeur je geeft, is een manier om een ​​eerlijke toss uit te voeren."

Het publieke deel van deze projecten garandeert dat meerdere partijen die toss kunnen verifiëren en vertrouwen, aldus Michael Fischer, een computerwetenschapper van de Yale University die een nieuw regeringsbaken van willekeur heeft geraadpleegd. Niet alleen zijn de outputs van de beacons vrij beschikbaar, maar de onderliggende methoden en de output-archieven zijn ook openbaar.

"Je wilt keuzes die vrij zijn van invloed van mensen met een bepaalde agenda," zei Fischer.

Verrassend ongrijpbare willekeur

Het creëren van deze publieke tollen van entropie of willekeurige bakens is echter een enorme uitdaging. Deze bakens maken gebruik van verschillende bronnen voor hun aandoening, van fysieke processen zoals fotonenemissies of seismische geluiden, tot lange reeksen tweets die worden gevoed door cryptografische transformaties. Wat de bron ook is, bakenproducenten hebben vergelijkbare doelen: de uitvoer moet onvoorspelbaar, autonoom en consistent zijn (wat betekent dat verschillende gebruikers kunnen verwachten dezelfde willekeurige tekenreeks uit het baken te halen), volgens NIST. De laatste twee kenmerken hebben grote invloed op het vertrouwen en de bruikbaarheid. De eerste spreekt het hart van willekeur aan, volgens NIST.

"Die vraag, hoe weet je of iets echt willekeurig is, dat is echt een diep en moeilijk probleem," vertelde Shalm aan WordsSideKick.com.

De sleutel is onvoorspelbaarheid, zei hij. Hoewel veel dingen in de natuur chaotisch lijken, hebben ze bijna altijd onderliggende structuren of ordeningen die iemand in theorie zou kunnen gebruiken om voorspellingen te doen. Dat maakt het vinden van echt willekeurig - fundamenteel onvoorspelbaar - duivels hard. Shalm zei bijvoorbeeld, denk aan een toverstok van een voetbalwedstrijd, dat icoon van willekeur. "Als je precies wist hoeveel druk de scheidsrechter op de medaille uitoefende en, als hij in de lucht klapt, hoeveel turbulentie ermee interageert, kun je precies voorspellen hoe dat ding zal landen," zei hij.

Soortgelijke kritiek is van toepassing op (bijna) alle generator van willekeurige getallen op basis van een fysiek proces, zei Shalm. En op software gebaseerde generatoren kunnen ook worden voorspeld omdat ze algoritmen volgen, zei Rene Peralta, een computerwetenschapper die een randomness beacon-project voor NIST uitvoert. [De 9 meest massieve nummers in bestaan]

Openbare bakens worden gelanceerd

Ondanks deze moeilijkheden zijn wetenschappers bezig om openbare bronnen van willekeur te creëren. In juli heeft NIST de productieversie van zijn willekeurbaken uitgebracht, een versie die het voor onbepaalde tijd wil handhaven. Deze service verzendt elke minuut willekeurige reeksen van 512 bits, of eenheden computergegevens, met de tijdgestempelde en ondertekende uitvoer.

De nieuwe "Versie 2.0" maakt het eenvoudiger om de uitvoer van het baken te combineren met andere bronnen, waardoor een noodzakelijke beveiligingsboost voor gebruikers wordt toegevoegd, zei Peralta. Nu kunnen gebruikers de uitvoer van willekeurige bits van NIST samenvoegen met bijvoorbeeld een baken dat is gelanceerd door de Chileense regering, ook in juli, en een Braziliaanse versie gepland voor 2019. Op die manier, zelfs als iemand met één bron knoeide om te beïnvloeden (en dus voorspellen) zijn output, zou de samengevoegde straal onvoorspelbaar blijven, bovengenoemde Peralta.

Voor de meeste mensen werkt alleen het baken van NIST prima, zei Peralta.Maar zelfs de geringste mogelijkheid tot aanvallen kan een probleem zijn voor hoogwaardige toepassingen, zoals het houden van een loterij met een groot geldbedrag of het kiezen van verkiezingsmachines voor monitoring, zei hij. Een hacker die de uitvoer van NIST beïnvloedde, kon de loterijresultaten voorspellen of stemmachines testen als NIST alleen de willekeurigheid opleverde.

"Het NIST Beacon is veiliger dan de meeste informatiesystemen", omdat het geen gegevens importeert en zich op een veilige locatie bevindt, zei Peralta. Maar een insider of een aanvaller die werd gesteund door overheidsfinanciering en middelen, kon dit allemaal doormaken, voegde Peralta eraan toe.

Beveiligingsprotocollen, zoals versleuteling van berichten, maken ook veelvuldig gebruik van willekeurigheid, en deze vereisen ook garanties tegen manipulatie. Publieke willekeur kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor authenticatie bij het gebruik van versleutelde berichten, waarin u uw identiteit bewijst met zowel een openbare als een private sleutel, zei Syta.

Syta en andere onderzoekers ontwikkelen alternatieve systemen die ook knelpunten kunnen aanpakken: deze bakens tekenen entropie van meerdere "gedistribueerde" bronnen die zich op verschillende locaties bevinden en beheerd worden door verschillende organisaties of individuen. De gedistribueerde modellen blijven in teststadia, maar ze zouden ook een gerelateerd probleem aanpakken voor veiligheidsgerichte mensen: wantrouwen tegenover de overheid, zei Syta.

Waar is de willekeur?

De onderzoekers bij NIST begonnen hun zoektocht naar entropiebronnen in het kwantumrijk. De kwantummechanica, in essentie, is een willekeurige theorie, zei Shalm. Je kunt bijvoorbeeld niet precies voorspellen wanneer een bepaald radioactief atoom zal vergaan - alleen een waarschijnlijkheid, schreef Scott Aaronson, de directeur van het Quantum Informatiecentrum aan de Universiteit van Texas in Austin. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]

"Kwantummechanica... zegt dat dingen willekeurig gebeuren," zei Shalm. "Je kunt niet voorspellen wat er precies gaat gebeuren - je kunt alleen waarschijnlijkheden voorspellen."

Het huidige NIST-baken is dus gedeeltelijk afhankelijk van een op kwantum gebaseerde willekeurige nummergenerator; dit apparaat meet de aankomsttijd van fotonen geproduceerd door een verzwakte laser, die op willekeurige tijdstippen fotonen uitzendt, zei Shalm. (Denk aan deze laser als een vernauwde watertap, maar voor licht, zei hij.) Het NIST-baken combineert die uitvoer met de productie van commerciële willekeurige nummergeneratoren, die afhankelijk zijn van elektronische circuitruis in plaats van quantumeigenschappen, waarbij de gecombineerde entropie wordt verhoogd met wiskundige transformaties.

Het baken van Chili is ondertussen gebaseerd op seismische gegevens in het aardbevingsgevoelige land, plus Twitter-feeds. Lange rijen aaneengeschakelde tweets zijn 'behoorlijk onvoorspelbaar, omdat je niet weet wat mensen gaan zeggen', zei Peralta. Een cryptografische hasj verkleint deze lange reeksen, verwijdert de structuur die kenmerkend is voor taal en produceert iets 'vrijwel uniform willekeurig', zei hij.

De gedistribueerde modellen kunnen willekeur trekken, zowel van individuen die op hun laptops entropieproducerende programma's uitvoeren als van privébedrijven, zoals Cloudflare, die willekeur uit lavalampen halen. Het bedrijf snapt hoge resolutie foto's van een muur met veranderende, ontregelde patronen van lampen.

Kwantumbugs veranderen in functies

Aangezien deze bakens pure willekeur benaderen, voorzien hun makers meerdere meervoudige gebruiksmogelijkheden. "Alles dat besluitvorming vereist en redelijk is, is een goede toepassing voor openbare willekeur", zei Syta. Dat zou kunnen betekenen dat je Powerball-winnaars kiest of een jury kiest - en zelfs een pak kaarten in een online spel schudt. [Foto's: grote aantallen die de universe definiëren]

Meer consequent, omdat NIST's baken een archief bijhoudt (in een veilige, blok-achtige structuur), zou het regeringen kunnen helpen bewijzen dat hun immigratiepraktijken eerlijk zijn, zei Peralta. Het Amerikaanse Diversity Immigrant Visa-programma, ook bekend als groene-kaartloterij, kent bijvoorbeeld visa toe aan mensen uit landen met een historisch lage Amerikaanse immigratie en selecteert potentiële ontvangers willekeurig uit die regio's. Iemand zou echter het vermeend willekeurige programma van vooroordelen, bijvoorbeeld tegen moslims, kunnen beschuldigen, zei Peralta.

"Maar als je [loterijwinnaars] kiest met een externe bron van willekeur zoals die van ons, kun je dat argument niet maken," zei hij. De overheid zou gewoon naar het archief kunnen verwijzen.

Recente pogingen om Amerikaanse stemmachines te hacken, tonen het belang van een andere toepassing: willekeurige tests, zei Peralta. Logistiek gezien kunnen verkiezingsopzieners niet elke stemmachine controleren op sabotage, dus moeten ze steekproefsgewijs controles uitvoeren. Maar als hackers kunnen voorspellen welke machines worden onderzocht, kunnen die agenten eenvoudig knoeien met andere machines. Enter, het willekeurigheidsbaken, dat onvoorspelbare subsets kan uitkiezen voor testen.

Wat de toepassing ook is, het coolste deel van deze bakens is dat ze diepgaande wetenschappelijke debatten omzetten in openbare goederen, zei Shalm. Albert Einstein felleer met Niels Bohr en anderen over de implicatie van de kwantummechanica dat de natuur willekeurig is, en Einstein zegt: "God dobbelt niet".

"We nemen wat Einstein een fout zou noemen en er een functie van maken", zei Shalm. "Het universum is willekeurig en dat is OK, er komen interessante dingen uit voort."

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: General Agreement on Tariffs and Trade (GATT) and North American Free Trade Agreement (NAFTA).




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com