Какво представлява истинската случайност и как може да бъде получена с помощта на квантовата физика?

Живеем с илюзията за случайност. Хвърлена монета, разбъркана колода карти, хвърляне на зарове – всички тези действия изглеждат непредсказуеми, но всъщност се подчиняват на строгите закони на физиката. Силата на хвърляне, съпротивлението на въздуха, най-малките неравности на повърхността – всичко това предопределя резултата. Дори най-сложните компютърни алгоритми, които създават „случайни“ числа, всъщност само имитират хаоса, като следват детерминирани инструкции. Те са предвидими, ако знаете началните условия.

Но какво би било, ако съществува истинска, абсолютна случайност – такава, която нищо във Вселената не може да предвиди? Дълго време това бе предмет на философски дебати. Днес обаче то се превърна в инженерен проблем, който физиците решиха блестящо, създавайки публично достъпна услуга, основана на най-странните и контраинтуитивни принципи на нашия свят.

Дали все пак Бог все пак не играе на зарове?

В основата на тази история стои един от най-големите интелектуални двубои на 20-и век. Алберт Айнщайн, бащата на теорията на относителността, е убеден в подредеността и предсказуемостта на Вселената. „При всички случаи съм убеден, че Той [Създателят] не играе на зарове“, пише той, изразявайки своето отхвърляне на вероятностния характер на квантовата механика. За него идеята, че случайността управлява света на фундаментално ниво, е абсурдна.

Неговите опоненти, пионерите на квантовата теория, твърдят обратното: на субатомно ниво неопределеността не е дефект на нашето знание, а присъщо свойство на реалността. Резултатът от квантовото събитие е фундаментално непредсказуем. Оказа се, че те са били прави. И сега, почти век по-късно, учените от Националния институт за стандарти и технологии (NIST) на САЩ не просто доказаха правотата на противниците на Айнщайн – те превърнаха неговата метафора в работещо устройство.

Квантовото вълшебство на практика

Ключът към създаването на истинска случайност е феномен, който самият Айнщайн пренебрежително нарича „плашещо действие на дълги разстояния“. Става дума за квантовото заплитане.

Представете си две „заплетени“ частици, например фотони. Те се държат като двойка вълшебни монети: ако едната покаже ези при измерването, другата моментално ще покаже тура, независимо от разстоянието между тях – било то метри или светлинни години. Най-важното е, че до момента на измерването е невъзможно да се предвиди на коя страна образно казано ще падне всяка от тях. Индивидуалното им поведение е напълно случайно, но състоянията им са неразривно свързани.

Този принцип е в основата на теста на Бел – експеримент, който доказва, че тази взаимовръзка не е резултат от някакви „скрити инструкции“, заложени в частиците в момента на тяхното създаване. Тестът потвърждава, че това, което имаме пред себе си, е истинска квантова магия, а не изкусен трик. През 2015 г. учените от NIST окончателно потвърдиха реалността на това явление, а след това зададоха въпроса: може ли тази „магия“ да бъде поставена в услуга на човечеството?

Фабриката за случайността: от кристала до вашия екран

Така се ражда проектът CURBy (Colorado University Randomness Beacon) – първата в света публично достъпна „фабрика за случайност“. Нейната работа е впечатляващо постижение на инженерната и научната мисъл.

• Източник. В основата на съоръжението е поставен специален нелинеен кристал. Когато се облъчва с лазер, той генерира двойки заплетени фотони.
• Разделяне. Тези двойки веднага се разделят и се изпращат чрез оптични кабели до две различни лаборатории, разположени в противоположните краища на коридора.
• Измерване. Във всяка лаборатория детектори измерват определено свойство на фотона – неговата поляризация (опростено, това е като да се определи в коя равнина се колебае светлинната вълна). Резултатът от всяко отделно измерване е случаен.
• Скорост. Тази „щафетна надпревара“ се повтаря с невероятна скорост – около 250 000 пъти в секунда. Милиони квантови „хвърляния на монети“ генерират гигантски набор от данни.
• Обработка. Получените данни се изпращат в Университета в Колорадо, където специална програма ги анализира, потвърждава квантовата им природа чрез теста на Бел и ги преобразува в последователност от 512 напълно случайни нули и единици.

Целият този сложен процес – от генерирането на фотоните до окончателния код – се извършва непрекъснато, като всеки ден предоставя нова порция истинска случайност.

За какво ни е нужно това?

Може да изглежда, че генерирането на случайни числа е нишова задача за учените. Всъщност нейното практическо значение е огромно.

• Криптографията. Нейното основно приложение е информационната сигурност. Криптирането, което защитава нашите банкови сметки, кореспонденция и държавни тайни, разчита на случайните ключове. Ако генераторът на случайни числа е предсказуем, нападателят теоретично би могъл да разбие шифъра. Истинската случайност от CURBy създава основата за напълно сигурни системи за криптиране.
• Научно моделиране. Сложните симулации – от прогнозирането на климата до моделирането на поведението на финансовите пазари – изискват случайни входни данни, за да се симулират хаотичните процеси. Използването на истински случайни числа увеличава точността и валидността на такива модели.
• Честност и справедливост. Системи, в които е важна абсолютната безпристрастност, като например национални лотарии или разпределение на ресурси, могат да използват квантовата случайност като гаранция за пълна безпристрастност.

Екипът на NIST и Университета на Колорадо е направил услугата си поразително достъпна. Всеки може да отиде в уеб сайта на CURBy, да въведе списък (например имена или казуси) и да получи разбъркан вариант, чийто ред е определен от фундаменталните закони на Вселената именно в този ден.

Иронията е възхитителна. Големият скептик Айнщайн е грешал: изглежда, че Бог наистина си играе на зарове. Но още по-удивително е, че физиците са се научили да надничат през рамото му и да записват резултатите от тази универсална игра. И сега можем да използваме тези данни, за да решим много неща.