Случайные числа: что это такое и зачем они нужны?
Случайные числа используются для обеспечения честности при принятии решений, например, при жеребьёвке, подбрасывании монетки или при проведении аудита. Они также важны для безопасности, поскольку помогают создавать надёжные пароли и коды. Многие современные криптографические системы используют генераторы случайных чисел для создания безопасных ключей.
Но как узнать, что случайное число действительно случайно? Классические компьютерные алгоритмы могут создавать только псевдослучайные числа, которые можно предсказать или манипулировать ими, зная алгоритм.
Квантовая механика и истинная случайность
В отличие от алгоритмов, квантовая механика по своей природе случайна. Физик Кристер Шалм из Национального института стандартов и технологий (NIST) и его команда провели квантовый эксперимент, известный как тест Белла, и преобразовали этот источник истинной квантовой случайности в отслеживаемый и сертифицируемый сервис генерации случайных чисел.
Эйнштейн считал, что природа не случайна, заявляя: «Бог не играет в кости со Вселенной». Однако учёные доказали, что Эйнштейн ошибался.
Как работает сервис генерации случайных чисел?
В основе сервиса лежит тест Белла, проводимый NIST, который обеспечивает действительно случайные результаты. Эти результаты используются для создания случайных чисел, публикуемых маяком.
Процесс начинается с генерации пары запутанных фотонов внутри специального нелинейного кристалла. Фотоны передаются по оптическому волокну в отдельные лаборатории на противоположных концах зала.
Как только фотоны достигают лабораторий, их поляризации измеряются. Результаты этих измерений действительно случайны. Этот процесс повторяется 250 000 раз в секунду.
NIST передаёт миллионы этих квантовых подбрасываний монеты в компьютерную программу в Университете Колорадо в Боулдере. Специальные методы обработки и строгие протоколы используются для превращения результатов квантовых измерений в 512 случайных битов двоичного кода (0 и 1).
Протокол Twine
NIST и его сотрудники добавили возможность отслеживать и проверять каждый шаг в процессе генерации случайности. Они разработали протокол Twine — набор квантово-совместимых блокчейн-технологий, которые позволяют различным организациям совместно генерировать и сертифицировать случайность из теста Белла.
Протокол Twine позволяет любому пользователю проверить данные, стоящие за каждым случайным числом. Протокол может расширяться, позволяя другим маякам генерации случайных чисел присоединяться к хэш-графу, создавая сеть случайности, в которую каждый вносит свой вклад, но никто не контролирует.
Применение
CURBy можно использовать везде, где необходим независимый, общедоступный источник случайных чисел, например, при выборе кандидатов в присяжные, проведении аудита или распределении ресурсов через государственную лотерею.
Лазеры: от научной фантастики до повседневной жизни
Лазеры, которые раньше были доступны только в низкоэнергетическом свете, теперь доступны в диапазоне от микроволнового до рентгеновского излучения, открывая новые возможности для исследований.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, международное сотрудничество под руководством учёных из Университета Висконсин-Мэдисон впервые продемонстрировало сильные явления генерации лазерного излучения (lasing) и создало самые короткие импульсы жёсткого рентгеновского излучения.
Потенциальные применения
Полученные импульсы могут привести к нескольким потенциальным приложениям, от квантовой рентгеновской оптики до визуализации движения электронов внутри молекул.
Профессор физики в Университете Висконсин-Мэдисон и старший автор исследования Уве Бергманн объясняет: «Мы наблюдали сильные явления генерации лазерного излучения в рентгеновском излучении внутренней оболочки и смогли смоделировать и рассчитать, как оно развивается».
Процесс генерации
Процесс генерации рентгеновского излучения внутренней оболочки аналогичен оптической генерации лазерного излучения, только на гораздо более короткой длине волны. Начальный импульс рентгеновских фотонов возбуждает электроны внутренней оболочки атомов. Эти возбуждённые электроны затем излучают фотоны с разной длиной волны рентгеновского излучения, когда возвращаются в невозбуждённое состояние.
Исследователи сфокусировали импульсы XFEL на образце из меди или марганца. Входной импульс всё ещё «грязный», но очень короткий и невероятно мощный: эквивалент фокусировки всего солнечного света, попадающего на Землю, в один квадратный миллиметр.
Детектор измеряет свойства рассеянного рентгеновского света. Исследователи подтвердили, что в их образце происходит стимулированное излучение, измерив сильный сигнал в детекторе. Они также заметили, что излучаемый свет содержит все ожидаемые длины волн. Однако в пространстве команда иногда обнаруживала несколько горячих точек вместо ожидаемого гладкого сигнала.
Применяя трёхмерное моделирование, Линкер смог показать, что происходило для получения таких результатов. Его расчёты показали, что излучаемые рентгеновские лучи подвергались процессу, создававшему нити при прохождении через образцы.
«Это филаментация, сильное явление генерации лазерного излучения, которое в оптической науке происходит, когда показатель преломления изменяется из-за этого очень, очень сильного поля», — говорит Линкер. «Вы получаете пространственные явления, приводящие к наблюдаемым горячим точкам».
Когда команда дополнительно увеличила интенсивность входного импульса, они увидели другой неожиданный результат: вместо наблюдения горячих точек одной длины волны они наблюдали спектральное уширение и иногда несколько спектральных линий.
Они использовали своё моделирование для построения графика интенсивности излучаемого импульса во времени и обнаружили, что их «грязные» входные импульсы приводили к чрезвычайно коротким импульсам стимулированного излучения, длина которых иногда составляла 60–100 аттосекунд — самые короткие импульсы жёсткого рентгеновского излучения, наблюдаемые кем-либо на сегодняшний день.
«Мы сгенерировали жёсткие рентгеновские аттосекундные импульсы с помощью этого сильного явления генерации лазерного излучения», — говорит Линкер. «Масштаб времени, на котором образуются и разрываются химические связи, — это фемтосекундный (в 1000 раз длиннее аттосекунды) масштаб времени. Но если вы хотите увидеть динамику электронов, как они движутся внутри своих орбиталей, это аттосекундный масштаб времени».