Что такое истинная случайность и как её получить с помощью квантовой физики?

Мы живём в иллюзии случайности. Подброшенная монета, перетасованная колода карт, бросок игральных костей — все эти действия кажутся непредсказуемыми, но на самом деле подчиняются строгим законам физики. Сила броска, сопротивление воздуха, малейшие неровности поверхности — всё это предопределяет результат. Даже самые сложные компьютерные алгоритмы, создающие «случайные» числа, на самом деле лишь имитируют хаос, следуя детерминированным инструкциям. Они предсказуемы, если знать исходные условия.

Но что, если существует подлинная, абсолютная случайность — такая, которую не может предсказать ничто во Вселенной? Долгое время это было предметом философских споров. Сегодня же это стало инженерной задачей, которую с блеском решили физики, создав общедоступный сервис, основанный на самых странных и контринтуитивных принципах нашего мира.

Бог всё-таки играет в кости?

В самом сердце этой истории лежит один из величайших интеллектуальных поединков XX века. Альберт Эйнштейн, отец теории относительности, был убеждён в упорядоченности и предсказуемости Вселенной. «Во всяком случае, я убеждён, что Он [Творец] не бросает кости», — писал он, выражая своё неприятие вероятностной природы квантовой механики. Для него идея о том, что на фундаментальном уровне миром правит случай, была абсурдной.

Его оппоненты, пионеры квантовой теории, утверждали обратное: на субатомном уровне неопределённость — это не дефект нашего знания, а неотъемлемое свойство реальности. Исход квантового события принципиально непредсказуем. Как оказалось, они были правы. И теперь, спустя почти столетие, учёные из Национального института стандартов и технологий США (NIST) не просто доказали правоту оппонентов Эйнштейна — они превратили его метафору в работающее устройство.

Квантовое колдовство на практике

Ключом к созданию истинной случайности стал феномен, который сам Эйнштейн пренебрежительно называл «пугающим дальнодействием». Речь идёт о квантовой запутанности.

Представьте себе две «запутанные» частицы, например фотоны. Они ведут себя как пара волшебных монет: если одна при измерении покажет «орла», другая мгновенно покажет «решку», вне зависимости от расстояния между ними — будь то метры или световые годы. Самое главное — до момента измерения невозможно предсказать, какой стороной упадёт каждая из них. Их индивидуальное поведение абсолютно случайно, но их состояния неразрывно связаны.

Именно этот принцип лежит в основе «теста Белла» — эксперимента, который позволяет доказать, что эта корреляция не является результатом неких «скрытых инструкций», заложенных в частицы в момент их создания. Тест подтверждает, что перед нами — подлинная квантовая магия, а не искусный фокус. В 2015 году учёные NIST окончательно подтвердили реальность этого феномена, а затем задались вопросом: можно ли это «колдовство» поставить на службу человечеству?

Фабрика случайности: от кристалла до вашего экрана

Так родился проект CURBy (Colorado University Randomness Beacon) — первая в мире общедоступная «фабрика случайности». Её работа — это впечатляющий инженерный и научный подвиг.

1. Источник. В сердце установки находится особый нелинейный кристалл. При облучении лазером он генерирует пары запутанных фотонов.
2. Разделение. Эти пары немедленно разделяются и по оптоволоконным кабелям отправляются в две разные лаборатории, расположенные в противоположных концах коридора.
3. Измерение. В каждой лаборатории детекторы измеряют свойство фотона — его поляризацию (упрощённо, это как определить, в какой плоскости колеблется световая волна). Результат каждого отдельного измерения случаен.
4. Скорость. Эта «эстафета» повторяется с невероятной скоростью — около 250 000 раз в секунду. Миллионы квантовых «бросков монеты» генерируют гигантский массив данных.
5. Обработка. Полученные данные отправляются в Университет Колорадо, где специальная программа анализирует их, подтверждает их квантовую природу через тест Белла и преобразует в последовательность из 512 абсолютно случайных нулей и единиц.

Весь этот сложнейший процесс, от генерации фотонов до получения финального кода, происходит непрерывно, поставляя свежую порцию истинной случайности каждый день.

Зачем нам это нужно?

Может показаться, что генерация случайных чисел — это нишевая задача для учёных. На самом деле, её практическое значение огромно.

• Криптография. Главная сфера применения — информационная безопасность. Шифрование, защищающее наши банковские счета, переписку и государственные тайны, опирается на случайные ключи. Если генератор случайных чисел предсказуем, злоумышленник теоретически может взломать шифр. Истинная случайность от CURBy создаёт фундамент для абсолютно надёжных систем шифрования.
• Научное моделирование. Сложные симуляции, от прогнозирования климата до моделирования поведения финансовых рынков, требуют случайных входных данных для имитации хаотических процессов. Использование по-настоящему случайных чисел повышает точность и достоверность таких моделей.
• Честность и справедливость. Системы, где важна абсолютная непредвзятость, например, проведение национальных лотерей или распределение ресурсов, могут использовать квантовую случайность как гарантию полной беспристрастности.

Команда NIST и Университета Колорадо сделала свой сервис поразительно доступным. Любой желающий может зайти на сайт CURBy, ввести список (например, имён или дел) и получить его перемешанную версию, порядок которой был определён фундаментальными законами Вселенной в этот самый день.

Ирония судьбы восхитительна. Великий скептик Эйнштейн был неправ: похоже, Бог действительно играет в кости. Но что ещё поразительнее — физики научились заглядывать ему через плечо и записывать результаты этой вселенской игры. И теперь мы можем использовать их, чтобы просто решить, кто сегодня моет посуду.