Lidhja e Entropisë po e bën rastësinë vërtet të rastësishme

Krijimi i numrave të rastësishëm të besueshëm nuk është aq i lehtë sa mendoni, por një aleancë e re organizatash dhe individësh po decentralizon rastësinë për aplikacione më të drejta dhe më të besueshme

Në gusht 2017, Eddie Tipton u dënua për organizimin e një prej "mashtrimeve" më të mëdha të lotarisë në SHBA. Si ish-drejtor i sigurisë së informacionit të Shoqatës së Lotarisë Shumë-Shtetërore, Tipton kishte akses në softuerin që gjeneronte numra të rastësishëm për lotarinë. Ai futi linja shtesë kodi në mënyrë që kur të plotësoheshin disa kushte, algoritmi do të ndiqte një rrugë tjetër, duke prodhuar një grup më të vogël dhe më të parashikueshëm numrash fitues të lotarisë. Tipton manipuloi gjashtë vizatime fituese në pesë shtete të ndryshme të SHBA-së që arrinin në një total prej "më shumë se 24 milionë dollarë" në para.

Nga lotaritë dhe zgjedhjet tek kriptografia dhe mekanika kuantike, rastësia luan një rol kritik në sigurimin e drejtësisë – por vetëm nëse burimi i rastësisë mund t'i besohet në çdo kohë. Ky mund të mos jetë gjithmonë rasti për një burim të vetëm, i cili mund të ketë paragjykimet e veta ose mund të ndikohet nga forcat e jashtme, siç shihet në manipulimin e lotarisë së Tipton. Dhe këtu hyn decentralizimi, duke ofruar burime të shpërndara të rastësisë së paanshme, të paparashikueshme dhe të verifikueshme, të cilat mund të përmirësojnë besueshmërinë dhe ta bëjnë më të vështirë kompromisin.

Gjenerimi i rastësisë daton shekuj më parë. Studiuesit nga Universiteti i Kalifornisë, Davis dhe Muzeu Amerikan i Historisë Natyrore zbuluan se "njerëzit e lashtë do të rrotullonin" sende të mëdha, në formë të çrregullt, të bëra prej kocke, balte, fildishi, metali ose guri për të përcaktuar fatin e tyre. Kjo më vonë evoluoi në lojëra fati që përfshinin hedhjen e zareve kub - një shembull klasik i rastësisë. Me çdo rrotullim, një kërpudhë ka një mundësi të barabartë për t'u ulur në secilën nga gjashtë anët e saj, por cila anë do të ishte është e paparashikueshme. Siç shkruan studiuesit në studimin e tyre, "bixhozxhinjtë mund të kenë parë hedhjen e zareve si jo më të përcaktuara nga fati, por në vend të kësaj si objekte të rastësishme të drejtuara nga rastësia".

Rastësia i kapërceu lojërat e fatit dhe në vitin 1951 lindi kompjuteri i parë komercial për qëllime të përgjithshme në botë, "Ferranti Mark 1". Me të erdhi një "gjenerues numrash të rastësishëm i projektuar" nga shkencëtari i njohur kompjuterik Alan Turing. Një nga përdorimet e para të gjeneratorit të integruar të numrave të rastësishëm të Ferranti Mark 1 ishte të shkruante "letra dashurie" të rastësishme.

Megjithatë, edhe makinat komplekse e kanë të vështirë të prodhojnë një numër të rastësishëm në dukje të thjeshtë. Kompjuterët lulëzojnë në parashikueshmërinë, duke ndjekur udhëzimet e algoritmeve të programuara në to. Programimi i rastësisë në një kompjuter kërkon simulimin e tij përmes një gjeneruesi të numrave pseudorandom, i cili përdor një vlerë të vogël hyrëse të njohur si "farë" dhe më pas e shtrin atë farë në një sekuencë të gjatë duke përdorur transformime matematikore.

"Nëse kam një mijë numra të rastësishëm dhe po shoh një model në numra, unë mund ta përdor atë njohuri për të parashikuar vlerat e ardhshme."

Por vlerat e prodhuara nga gjeneruesit e numrave pseudorandom nuk janë vërtet të paparashikueshme. "Sa herë që merrni të njëjtën farë, do të merrni saktësisht të njëjtën sekuencë," thotë Ewa Syta, një asistent profesor i shkencave kompjuterike në Kolegjin Trinity në Hartford, Connecticut. "Pra, nuk mund të jetë krejtësisht e rastësishme sepse diçka e rastësishme nuk supozohet të jetë e parashikueshme ose e riprodhueshme."

Për të marrë një numër vërtet të rastësishëm, do t'ju duhet një burim me entropi të lartë. Entropia është matja e paparashikueshmërisë së një numri të rastësishëm. “Nëse diçka ka entropi të ulët, ka shumë përsëritje në të. Përsëritja ju jep modele dhe nëse keni një model, mund të bëni disa supozime se cila do të jetë vlera e radhës në sekuencë”, thotë Syta. "Nëse kam një mijë numra të rastësishëm dhe po shoh një model në numra, unë mund ta përdor atë njohuri për të parashikuar vlerat e ardhshme."

Kjo i bën burimet me entropi të lartë - të tilla si fenomenet natyrore ose ngjarjet fizike - të vlefshme në gjenerimin e numrave të rastësishëm. Sa më e lartë të jetë entropia, aq më e paparashikueshme dhe më e rastësishme është një vlerë.

Disa shembuj të gjenerimit të numrave të rastësishëm duke përdorur burime me entropi të lartë përfshijnë "HotBits", "Random.org" dhe "projekti i fenerit të rastësishëm" në Institutin Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë (NIST). HotBits përdor zbërthimin radioaktiv si burimin e tij të entropisë ndërsa Random.org përdor zhurmën atmosferike. Feneri i rastësisë i NIST - një shërbim që gjeneron sekuenca numrash në një model të paparashikueshëm në intervale të rregullta - kombinon entropinë nga të paktën dy gjeneratorë të pavarur të numrave të rastësishëm.

Këto projekte ose e nxjerrin rastësinë e tyre nga një burim i vetëm ose drejtohen nga një ent i vetëm. Ky është një problem sepse secili prej tyre mund të shfrytëzohet për të dhënë rezultate të njëanshme. Burimi ose entiteti mund të gjenerojë rastësi në avantazhin e tij, ose mund të detyrohet të prodhojë rastësi që do të përfitonte një organ të jashtëm. “Kjo bëhet një pikë e vetme dështimi në të gjithë protokollin,” thotë Syta. "Nëse kemi rastësi publike të prodhuar nga një burim i vetëm, duhet t'i besojmë atij burimi që të sillet mirë."

Për të zgjidhur problemet e shkaktuara nga një burim i vetëm, një koalicion teknologësh dhe biznesesh i quajtur "Lidhja e Entropisë" po decentralizon rastësinë përmes një rrjeti global fenerësh që gjeneron numra të rastësishëm çdo 60 sekonda, së bashku me nënshkrimet matematikore për të vërtetuar se janë parajsë. nuk është ngatërruar. "Randomësia që ne po paraqesim është shumë më e vështirë për t'u anashkaluar sepse kërkon që shumë pjesëmarrës të ndryshëm me struktura shumë të ndryshme të bien dakord," thotë Nick Sullivan, kreu i kriptografisë në kompaninë e sigurisë në internet Cloudflare, një nga organizatat që përbëjnë League of Entropy, e cila u formua në qershor 2019.

Duke qenë se numrat e rastësishëm të gjeneruar nga liga janë publikë, ata nuk mund të përdoren për asgjë që duhet mbajtur gjithmonë sekret, siç janë çelësat kriptografikë të sigurt. Megjithatë, ato mund të përdoren për aplikacione që kërkojnë që rastësia të njihet publikisht, të tilla si në auditimet zgjedhore, llotaritë, metodat e simulimit shkencor, zgjedhjet e provave klinike ose të drogës dhe platformat e shpërndara të librit (duke përfshirë kriptovalutat dhe platformat e bazuara në blockchain).

Arkitektura themelore kriptografike e Ligës së Entropisë bazohet në "projektin drand" me burim të hapur, një fener rastësie e shpërndarë e zhvilluar nga studiuesi i Protocol Labs Nicolas Gailly me ndihmën e studiuesve të kripto-sigurisë Philipp Jovanovic dhe Mathilde Raynal. Ajo që filloi si një sfidë intelektuale për këta bashkëpunëtorë u shndërrua në një shërbim publik të mbështetur nga Cloudflare dhe anëtarë të tjerë.

Projekti ka dy faza kryesore: një fazë të gjenerimit të çelësave të shpërndarë dhe një skemë të nënshkrimit të pragut. Kur kërkohet një vlerë e rastësishme nga liga, rrjeti i saj i fenerëve kalon nëpër këto faza përpara se të gjenerojë vlerën. Një bord zgjedhor, për shembull, mund ta përdorë këtë vlerë si bazë për të zgjedhur se cilat zona ose zona zgjedhore të auditojnë, duke kufizuar kështu çdo manipulim të mundshëm të procesit të auditimit për të arritur një rezultat të dëshiruar.

Faza e gjenerimit të çelësit të shpërndarë shërben si një fazë konfigurimi, ku gjenerohet një çelës privat dhe çelësi publik i lidhur me të. Asnjë pjesëmarrës nuk zotëron çelësin privat; në vend të kësaj, secili zotëron një pjesë të tij. Gailly përdor "analogjinë e copëzave të picës së Cloudflare" për të demonstruar se si funksionon gjenerimi i çelësave të shpërndarë. “Nëse çdo pjesëmarrës ka picën e vet, ata marrin një pjesë të kësaj pice dhe e shpërndajnë në mënyrë që çdo pjesëmarrës tjetër të marrë një pjesë,” thotë ai. "Dhe nëse çdo pjesëmarrës e bën këtë, atëherë ata mund të krijojnë një picë të re nga feta e tyre dhe feta të ndryshme nga pjesëmarrësit e tjerë."

Kur bëhet fjalë për rastësi, më shumë është padyshim më mirë se një.

Kjo fazë pasohet nga skema e nënshkrimit të pragut, e cila garanton që të paktën një numër i caktuar (pragu) subjektesh të marrin pjesë në gjenerimin e rastësisë. “Çdo pjesëmarrës gjeneron një nënshkrim të pjesshëm dhe këto nënshkrime të pjesshme mblidhen për të krijuar një nënshkrim të plotë, dhe ky nënshkrim është rastësi,” thotë Gailly.

E thënë thjesht, çdo anëtar i Ligës së Entropisë ekzekuton shembullin e vet të drand-it dhe kur kërkohet një vlerë e rastësishme nga faqja e internetit e ligës, pjesët e rastësisë nga secili anëtar grumbullohen në një rastësi të vetme, e cila mund të verifikohet me publikun. çelësi i krijuar gjatë fazës së konfigurimit. Lotaritë, për shembull, mund të përdorin këtë gjenerues të rastësisë për të zgjedhur numrat fitues të ditës. Dhe për shkak se kjo rastësi është e verifikueshme publikisht dhe nuk kontrollohet nga një ent i vetëm, procesi dhe rezultatet e tij mund të besohen.

"Të gjitha pjesët historike të rastësisë që janë shërbyer ndonjëherë nga Liga e Entropisë janë publike," thotë Sullivan. "Por nuk mund të parashikosh kurrë paraprakisht se cila do të jetë vlera tjetër e rastësishme."

Anëtarë të tjerë të ligës përfshijnë Kudelski Security, Protocol Labs, Instituti Federal Zviceran i Teknologjisë (École polytechnique fédérale de Lausanne ose EPFL) dhe Universiteti i Kilit, me kontribute nga studiuesit Gailly dhe EPFL, Ludovic Barman dhe Jovanovic. Kombinimi i burimeve të entropisë së secilit anëtar - llambat e llavës së Cloudflare, shtypjet e tastierës dhe klikimet e miut të EPFL, matjet sizmike të tërmeteve të Universitetit të Kilit, gjeneratori kriptografik i numrave të rastësishëm të Kudelski Security dhe zhurma mjedisore e Protocol Labs - çon në vlera shumë të paparashikueshme. Kur bëhet fjalë për rastësi, më shumë është padyshim më mirë se një.

Duke parë të ardhmen, Sullivan pret që më shumë pjesëmarrës të kontribuojnë në ligë dhe më shumë aplikacione për të përdorur fenerin e rastësisë së ligës. Për Gailly, ka të bëjë me përmirësimin e shkallëzueshmërisë së sistemit dhe krijimin e zbatimeve duke përdorur gjuhë të ndryshme programimi, në mënyrë që të mund të përfshihet në një gamë më të gjerë aplikacionesh. "Ne duam ta kemi këtë rastësi si shërbim," thotë Gailly. "Dhe ne duam që ajo të jetë e përdorshme nga të gjithë."