量子物理学とブロックチェーンを使用した乱数ジェネレーター

2013年9月、内部告発者のエドワードスノーデンは、アメリカと英国のintelligence報機関が、個人データをプライベートに保つために使用されるオンライン暗号化インターネットユーザーの多くを首尾よくクラックしたことを明らかにしました。スノーデンのソリューションは多くの人にとって皮肉なように見えました：エンドツーエンドの暗号化を採用する たくさん、大規模な監視のレンダリングは、非常に高価で面倒です。

エンドツーエンドの暗号化では、アルゴリズムは、キーと呼ばれる一連の数字と文字を使用して、読み取り可能なデータ（プレーンテキスト）を未読のフォーム（ciphertext）に変換します。キーを備えたユーザーは、それを復号化アルゴリズムに送ります。これにより、それを使用して暗号文をプレーンテキストに変換します。したがって、暗号化方法の成功は、キーの秘密にかかっています。

許可されていない人がキーを推測するのを防ぐために、それは十分にランダムでなければなりません。つまり、予測可能なパターンがありません。

どのようにして十分にランダムなキーを取得しますか？サイバーセキュリティ会社CloudFlareの場合、答えはファンキー1963発明：The Lava Lampにありました。

溶岩ランプは、水に吊り下げられ、白熱電球の上に置かれたワックスの塊があるガラス容器で構成されています。電球からの熱がワックスを溶かし、液滴が上昇します。液滴が容器の上部に到達すると、彼らは冷やして底に戻り、再びサイクルを開始します。溶岩ランプの上昇液滴は、同じ形状を2回取らないでください。つまり、形状は「一貫してランダム」です。

米国のサンフランシスコにあるCloudFlareの本部で、同社は壁の1つに100の溶岩ランプを手配しました。カメラは壁の写真を定期的に撮影し、コンピューターは画像内の各ピクセルを数値に変換します。したがって、各画像は一連の数字（シードと呼ばれる）を生成し、それをアルゴリズムに入力して暗号化キーを生成します。

ただし、2つの問題があります。 1つは、溶岩ランプの「一貫したランダムな」動きでさえ、理論的には熱力学の法則、システム内の熱がどのように動くか（たとえば、水とワックスのあるガラス容器など）とそれに含まれる物質の特性にどのように影響するかを扱う物理学の枝によって決定されます。少なくとも紙上では、これにより種子が予測可能になります。

第二に、種子が実質的にランダムであっても、キーを生成するために使用されるアルゴリズムは決定論的であり、つまりランダムではありません。言い換えれば、人が種子を手に入れた場合、アルゴリズムを使用してまったく同じキーを生成できます。これが、今日のほとんどの暗号化システムで一般的なこのようなアルゴリズムが、擬似ランダム数ジェネレーターと呼ばれる理由です。

真のランダム性はとらえどころのないものでしたが、科学者たちはしばらくの間、それを見つけることを最もよく期待できる場所であり、ランダム性が豊富な量子力学です。

量子ランダム性

量子力学は、原子と亜原子の領域で物質と光がどのように振る舞うかの研究です。これらのスケールでは、物理学の理論は確実に予測を行うことができなくなりました。米国のコロラド大学ボルダー（CUB）の量子通信研究者であるGautam A. Kavuriが、「測定の結果」 [in the quantum realm] 測定が行われる前に知ることはできません」。

光の粒子である光子の場合を考えてください。各光子には、振動電磁場があります。フィールドが振動する方向は、光子の偏光と呼ばれます。量子力学の法則によれば、光子の偏光は、測定されるまで水平および垂直（または左と右）の両方にすることができます。偏光が2つのうちの1つになるのは測定時だけであり、この選択はランダムです。

で公開された論文で 自然 6月、Kavuriは、同じ都市のCUBおよび国立標準技術研究所（NIST）の研究者チームとともに、これを使用して真の乱数を生成することを報告しました。

生成されると、チームはCUランダム性ビーコン（カービー）を介して公開されます。これは、受信者が数字をピックアップしてアプリケーションで使用できる公共サービスです。

カブリの間 et al。乱数を生成するために量子現象を最初に押したチームではなく、この手法にはプロトコルにブロックチェーンと呼ばれる暗号化ツールが組み込まれています。これにより、この手法は完全に追跡可能であり、独立した当事者によって認証可能になり、その種の最初になります。

この作品を「革新的」と呼ぶと、Quantum Information Theory ResearcherとNew Orleans Universityの准教授Peter Bierhorstは、「生データの収穫（ややランダム）から、ほぼ完全な（均一な）ランダムなビットまで処理することまで、監査および確認することができます。」と述べました。

Bierhorstは過去に2025の著者の何人かと働いてきました 自然 論文ですが、新しい研究に関連していませんでした。

光子からの数

Kavuriらによるテストのプロトコル。 NISTで始まり、自発的なパラメトリックダウンコンバージョンと呼ばれるプロセスを使用して、一対の量子絡み合った光子を生成します。このプロセスは、非線形結晶と呼ばれる特別な材料を使用して、より高いエネルギーの光子をより低いエネルギーの光子に変換します。これらの光子は絡み合っています。つまり、遠い距離であっても、それらの特性は相関していることを意味します。

絡み合った光子が生成されると、それらはNISTのホールの反対側の2つの研究所に2つの異なる方向に送られます。そこで、これらの光子の偏光が測定されます。このプロセスは約1分で1500万回繰り返され、それぞれの場合の偏光状態は本当にランダムです。このデータはカブに渡され、そこで次のステップが展開されます。

ほぼ2 km離れたカブで、コンピュータープログラムがデータを少し文字列、一連のゼロとそれに変換します。この段階では、文字列も真にランダムですが、偏見があります。ゼロと発生する頻度は等しくありません。このランダムではないが偏ったビット文字列は、ランダム性抽出器と呼ばれる数学的関数を介して処理されます。この関数は、drandと呼ばれる異なる乱数ジェネレーターから得られた独立したランダムシードを使用し、バイアスビットストリングから抽出物を512ビットの均一に偏りのないランダムストリングを使用します。

Drandは、CloudFlare、Ethereum Foundation、スイスのLausanneのスイス連邦技術研究所など、世界中の多くの独立した政党の連合によって運営されています。

ビルディングトラスト

プロトコルのように印象的であるため、その斬新さは他の場所にあります。

データの暗号化と復号化に使用される乱数ジェネレーターの場合、信頼は常に問題です。インドのベンガルール科学研究所の情報セキュリティ研究者であり准教授であるSanjit Chatterjeeは、「乱数ジェネレーターがあると主張しているとします。出力が本当にランダムであることを確認または入手するにはどうすればよいですか？

この問題を乗り越えるために、Kavuriが率いるチームは、プロトコルにブロックチェーンを統合しました。ブロックチェーンテクノロジーでは、プロセスのさまざまなステップからのデータは、ハッシュと呼ばれる数学的アルゴリズムの出力を使用して互いにリンクしているブロックに保存されます。

ハッシュアルゴリズムは、長い一連のデータを指紋と呼ばれる固定長の文字列に変換します。指紋は、入力データに一意にリンクされています。入力データを改ざんすると、実質的に異なる指紋が生じます。これは、検証者が簡単に確認して呼び出すことができます。

Chatterjeeによると、「後続のすべてのステップの指紋を変更せずに、1つのステップで指紋を変更することはできません。」

したがって、さまざまな指紋を使用してさまざまなデータブロックをリンクすることにより、研究者は、プロセスの1つのステップでの改ざんが、その後のすべてのプロセスの指紋に反映されるようにすることができます。

Kavuriと同僚は、「Twine」と呼ばれるブロックチェーンプロトコルを開発し、「3つの政党間で追跡可能な…暗号化契約を作成する」と乱数生成プロセスの一部を担当すると、彼らは論文に書いた。

ファーストパーティ、NISTは、生のビット文字列を提供しました。第二党のカブは、ランダム性抽出器を実行しました。サードパーティのドランドは、独立した種子を抽出器に提供しました。プロセスの各ステップはハッシュフィンガープリントでマークされており、3つのパーティのいずれかまたはユーザーのいずれかがプロセスの整合性を確認するために、指紋を使用できます。

「すべての当事者が侵害されていない限り、分析と抽出が正しく実行されることを確信できます」とカブリは言いました。

「挑戦的な命題」

Chatterjeeによると、研究者は、「実際に可能」に追跡可能な乱数を生成することを示す「プロトタイプ」を提供しています。

「しかし、日常業務で生成された乱数の量を考えると、これはその段階に近いものではありません」と彼は付け加えました。

カボウリ et al。彼らの論文では、40日間にわたって7,434の乱数を生成できると述べました。

ニューオーリンズ大学の量子情報理論家であるビアホルストは、プロトコルには「絡み合った光子を作成および操作するために最先端の光学成分を採用する複雑な装置」が必要であると付け加えました。これは、プロトコルの開始ステップです。

「これを商業的に展開することは挑戦的な提案です」と彼は言いました。彼は、プロトコルを広く展開するまでにさらに数年かかると予想していると付け加えました。

一方、Kavuriは、Twine Protocolの範囲内でより多くのパーティーを導入することを楽しみにしていると語った。 「これは、乱数生成プロセスに対する信頼をさらに分散させるでしょう」と彼は言いました。

Sayantan Dattaは、Krea Universityの教員であり、独立した科学ジャーナリストです。著者は、Apoorva PatelとShayan Srinivasa Garaniにインプットを感謝します。