Slumpmässighet är otroligt användbart. Människor drar ofta lott, kastar tärningar eller slår mynt för att fatta rättvisa beslut. Slumpmässiga siffror gör det möjligt för revisorer att göra helt opartiska val. Slumpmässighet är också viktigt för säkerheten. Om ett lösenord eller en kod är en omöjlig att gissa sifferserie är den svårare att knäcka. Många av våra krypteringssystem använder idag slumptalsgeneratorer för att skapa säkra nycklar.
Men hur vet man att ett slumptal verkligen är slumpmässigt?
Klassiska datoralgoritmer kan bara skapa pseudorandomtal, och någon med tillräcklig kunskap om algoritmen eller systemet kan manipulera den eller förutsäga nästa tal. En expert på fingerfärdighet kan rigga ett myntkast för att garantera att det blir krona eller klave. Även de mest noggranna myntkast kan vara partiska; med tillräcklig studie kan resultaten förutsägas.
”Sann slumpmässighet är något som ingenting i universum kan förutsäga i förväg”, säger Krister Shalm, fysiker vid National Institute of Standards and Technology (NIST). Även om en slumptalsgenerator använde till synes slumpmässiga processer i naturen, skulle det vara svårt att verifiera att dessa tal verkligen är slumpmässiga, tillägger Shalm.
Einstein trodde att naturen inte är slumpmässig och sa det berömda citatet: ”Gud spelar inte tärning med universum.” Sedan dess har forskare bevisat att Einstein hade fel.
Till skillnad från tärningar eller datoralgoritmer är kvantmekanik i sig slumpmässig. Genom att utföra ett kvantexperiment som kallas Bell-test har Shalm och hans team omvandlat denna källa till sann kvantslumpmässighet till en spårbar och certifierbar slumptalstjänst.
”Om Gud spelar tärning med universum, kan man omvandla det till den bästa slumptalsgenerator som universum tillåter”, säger Shalm. ”Vi ville verkligen ta det experimentet ut ur laboratoriet och omvandla det till en användbar offentlig tjänst.”
För att göra detta möjligt skapade NIST-forskare och deras kollegor vid University of Colorado Boulder Colorado University Randomness Beacon (CURBy). CURBy producerar automatiskt slumpmässiga tal och sänder dem dagligen via en webbplats som vem som helst kan använda. Den relaterade forskningen har publicerats i tidskriften Nature.
Kärnan i denna tjänst är det NIST-drivna Bell-testet, som ger verkligt slumpmässiga resultat. Denna slumpmässighet fungerar som ett slags råmaterial som resten av forskarnas uppställning ”förädlar” till slumpmässiga tal som publiceras av beacon.
Bell-testet mäter par av ”sammanflätade” fotoner vars egenskaper är korrelerade även när de är åtskilda av stora avstånd. När forskarna mäter en enskild partikel är resultatet slumpmässigt, men parets egenskaper är mer korrelerade än vad klassisk fysik tillåter, vilket gör det möjligt för forskarna att verifiera slumpmässigheten. Einstein kallade denna kvantmekaniska icke-lokalitet för ”spooky action at a distance” (spöklik verkan på avstånd).
Detta är den första slumptalsgeneratortjänsten som använder kvantnonlokalitet som källa för sina tal, och den mest transparenta källan för slumptal hittills. Det beror på att resultaten är certifierbara och spårbara i större utsträckning än någonsin tidigare.
”CURBy är en av de första allmänt tillgängliga tjänsterna som fungerar med en bevisbar kvantfördel. Det är en stor milstolpe för oss”, förklarade Shalm. ”Kvaliteten och ursprunget för dessa slumpmässiga bitar kan certifieras direkt på ett sätt som konventionella slumptalsgeneratorer inte kan.”
Från vänster till höger: Jasper Palfree (University of Colorado Boulder), Gautam Kavuri (NIST) och Krister Shalm (NIST). Källa: NIST
NIST utförde ett av de första fullständiga experimentella Bell-testerna 2015, vilket fastställde att kvantmekaniken verkligen är slumpmässig. År 2018 var NIST först med att utveckla metoder för att använda dessa Bell-tester för att bygga världens första källor till verklig slumpmässighet.
Det är dock svårt att omvandla dessa kvantkorrelationer till slumptal. NIST:s första banbrytande demonstrationer av Bell-testet krävde månader av förberedelser för att kunna köras i några timmar, och det tog mycket tid att samla in tillräckligt med data för att generera 512 bitar av verklig slumpmässighet.
Shalm och teamet har tillbringat de senaste åren med att bygga upp experimentet så att det är robust och kan köras automatiskt för att kunna leverera slumptal på begäran. Under de första 40 dagarna i drift producerade protokollet slumptal 7 434 gånger av 7 454 försök, vilket motsvarar en framgångsgrad på 99,7 %.
Processen börjar med att ett par sammanflätade fotoner genereras inuti en speciell icke-linjär kristall. Fotonerna färdas via optisk fiber till separata laboratorier i motsatta ändar av hallen.
När fotonerna når laboratorierna mäts deras polarisation. Resultaten av dessa mätningar är helt slumpmässiga. Denna process upprepas 250 000 gånger per sekund.
NIST skickar miljontals av dessa kvantmyntkast till ett datorprogram vid University of Colorado Boulder. Speciella bearbetningssteg och strikta protokoll används för att omvandla resultaten av kvantmätningarna på sammanflätade fotoner till 512 slumpmässiga bitar av binär kod (0:or och 1:or). Resultatet är en uppsättning slumpmässiga bitar som ingen, inte ens Einstein, kunde ha förutsett. I viss mening fungerar detta system som universums bästa myntkast.
NIST och dess samarbetspartners har lagt till möjligheten att spåra och verifiera varje steg i slumpgenereringsprocessen. De har utvecklat Twine-protokollet, en ny uppsättning kvantkompatibla blockkedjetekniker som gör det möjligt för flera olika enheter att samarbeta för att generera och certifiera slumpmässigheten från Bell-testet. Twine-protokollet markerar varje uppsättning data för fyren med en hash.
Hashar används i blockkedjeteknik för att märka datauppsättningar med ett digitalt fingeravtryck, vilket gör att varje datablock kan identifieras och granskas.
Twine-protokollet gör det möjligt för alla användare att verifiera data bakom varje slumptal, förklarar Jasper Palfree, forskningsassistent för projektet vid University of Colorado Boulder. Protokollet kan utvidgas så att andra slumptalsbeacons kan anslutas till hashgrafen, vilket skapar ett slumpmässigt nätverk som alla bidrar till men som ingen enskild person kontrollerar.
Genom att fläta samman dessa hashkedjor fungerar de som en tidsstämpel som länkar samman data för beaconen till en spårbar datastruktur. Det ger också säkerhet, eftersom deltagarna i Twine-protokollet omedelbart kan upptäcka manipulation av data.
”Twine-protokollet låter oss väva samman alla dessa andra beacons till en väv av förtroende”, tillägger Palfree.
Att förvandla ett komplext kvantfysikproblem till en offentlig tjänst är precis varför detta arbete tilltalade Gautam Kavuri, en doktorand som arbetar med projektet. Hela processen är öppen källkod och tillgänglig för allmänheten, vilket gör att vem som helst inte bara kan kontrollera deras arbete, utan även bygga vidare på sändaren för att skapa sin egen slumptalsgenerator.
CURBy kan användas överallt där en oberoende, offentlig källa till slumptal är användbar, till exempel för att välja jurymedlemmar, göra ett slumpmässigt urval för en revision eller fördela resurser genom ett offentligt lotteri.
”Jag ville bygga något som är användbart. Det är en häftig sak som ligger i framkant inom grundläggande vetenskap”, tillägger Kavuri. ”NIST är en plats där man har friheten att driva ambitiösa projekt som också ger något användbart.”
Mer information: Gautam Kavuri, Spårbara slumptal från en icke-lokal kvantfördel, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09054-3. www.nature.com/articles/s41586-025-09054-3
Denna artikel publiceras med tillstånd av NIST.
