در جستجوی اعداد تصادفی؛ چرا داده‌های پیش‌بینی‌ناپذیر برای زندگی ما حیاتی هستند؟

در سال ۲۰۱۶، نیویورک تایمز به مثال یک گیمر کامپیوتر جوان اشاره کرد که روشی را برای تولید مولد اعداد تصادفی در ماینکرفت ابداع کرده بود. این گیمر نوعی مسابقه را برای دوستانش در دنیای ماینکرفت ساخته بود، اما هدف او طراحی دامی در بازه‌های تصادفی بود تا زمینه را برای خطای شرکت‌کننده‌ها در بازی فراهم کند. او تصمیم گرفت حصارهایی را بسازد و درون آن‌ها گاو‌های مجازی به نام موشروم را محصور کند؛ زیرا گاوها در یک الگوی تصادفی حرکت می‌کنند. هر گاه یک موشروم روی یکی از صفحات فشاری که گیمر در زمین حصارها نصب کرده بود، راه می‌رفت، یک دام در بازی تودرتویی که گیمر طراحی کرده بود، فعال می‌شد.

ورودی‌های معمولی‌تری نیز برای مولدهای اعداد تصادفی وجود دارند. برای مثال می‌توان از حرکت اشاره‌گر ماوس روی صفحه‌ی نمایش کامپیوتر، تأخیر زمانی بین فشردن کلیدها روی صفحه کلید یا نویز ترافیک روی شبکه‌ی کامپیوتری هم استفاده کرد. به گفته‌ی استیون مورداک، استاد مهندسی امنیت از کالج دانشگاه لندن: «مطمئن هستیم که این قابلیت ایمن است.» مورداک سازنده‌ی مرورگر تور است که مرور امن اینترنت را از طریق لایه‌های متعدد رمزنگاری امکان‌پذیر می‌کند.

مورداک استدلال می‌کند که ما به اندازه‌ی کافی درباره‌ی تولید اعداد تصادفی به روش مناسب شناخت داریم؛ اما اغلب اوقات اثبات کافی برای تضمین پیش‌بینی‌ناپذیر بودن نتیجه‌ی تصادفی را دراختیار نداریم. او می‌گوید: «چیزی که دوست دارم بیشتر ببینم، تست و طراحی دقیق است.» اما این بخش دشوار کار محسوب می‌شود.

پژوهشگرها روش‌هایی را برای شناسایی مولدهای اعداد غیرتصادفی دارند. برای مثال می‌توان به تحلیل‌های آماری اشاره کرد؛ این تحلیل‌ها به جستجوی توالی‌هایی اختصاص دارند که در آن‌ها یک عدد بیشتر از یک مقدار مشخص تکرار می‌شود. برای مثال تعداد زیادی عدد ۳ دیده می‌شوند. البته این معیار باز هم کافی نیست. اگر توالی شما «۱۲۳۱۲۳۱۲۳۱۲۳۱۲۳۱۲۳» باشد چه می‌توان گفت؟ در این صورت می‌توان گفت تعداد زیادی عدد سه داریم، اما این اعداد بیشتر از دو و یک تکرار نشده‌اند. با این‌حال یک الگوی فوق‌العاده آشکار برای دنباله وجود دارد که غیرتصادفی‌بودن آن را افشا می‌کند.

برای مجموعه‌های عددی بسیار بزرگ، آزمایش‌های آماری برای اثبات تصادفی‌بودن بسیار پیچیده می‌شوند و بااین‌حال هرگز نمی‌توانید ثابت کنید که چیزی واقعا تصادفی است. صرفا تصادفی‌بودن آن مجموعه براساس بهترین تحلیل شما از تصادفی‌بودن، شناسایی‌پذیر نیست.

وقتی مولدهای اعداد تصادفی کار خود را به درستی انجام ندهند، می‌توان انتظار داشت افراد خرابکار از آن‌ها سوء‌استفاده کنند. به گزارش وایرد در سال ۲۰۱۷، یک هکر روسی به افرادی دسترسی داشت که از فعالیت ماشین‌های سکه‌ای در کازینوها فیلم‌برداری می‌کردند. بر اساس نتایج هر بازی او قادر بود عملکرد مولدهای عدد تصادفی داخل ماشین‌ها را پیش‌بینی کند و بنابراین مقدار پرداختی آن‌ها را به دست بیاورد.

 تقریبا یک دهه پیش، پژوهشگرهای امنیت در دانشگاه کمبریج از جمله مورداک متوجه شدند که کلاه‌بردارها می‌توانند با پیش‌بینی اعداد تصادفی تولیدشده درون کارت‌های اعتباری EMV از مردم پول سرقت کنند. چنین اعدادی برای تصدیق تراکنش هنگام خرید کالا در فروشگاه ضروری هستند؛ اما مشخص شد که می‌توان اعداد ورودی را پیش‌بینی کرد و به این ترتیب کارت اعتباری یک شخص را بدون نیاز به اجازه‌ی او جعل کرد. چنین کلاه‌برداری‌هایی امروز هم در جریان هستند.

در نتیجه برخی افراد معتقدند که بهترین مولد عدد تصادفی، از نوع مولد عدد تصادفی کوانتومی است که بر اثرات مکانیک کوانتوم اتکا دارد. می‌توانیم بگوییم این مولدها به معنای واقعی کلمه تصادفی هستند. برای مثال، رفتار عجیب یا آنتروپی ذرات زیراتمی، ازجمله زمان واپاشی یک اتم رادیواکتیو به طور کامل پیش‌بینی‌ناپذیر است. البته بحث‌های زیادی مطرح می‌شود که آیا تصادفی‌بودن واقعی اصلا وجود دارد یا خیر؛ اما می‌توانیم چنین بحث‌هایی را به فیزیکدان‌های نظری بسپاریم.

برای اهداف کاربردی، فرآیندهایی مثل زمان‌بندی فوتون‌ها (ذرات کوچک نور) که به آشکارساز برخورد می‌کنند، ماهیت تصادفی واقعی دارند و به‌عنوان مبنایی مناسب برای تولید اعداد تصادفی درنظر گرفته می‌شوند. روش دیگر، شمارش تعداد فوتون‌های منتشر‌شده توسط یک پالس لیزری است که در یک تنظیمات آزمایشی خاص باعث تولید یک عدد فرد یا زوج تصادفی از فوتون‌ها می‌شود. با انجام متوالی این کار می‌توان رشته‌ای از بیت‌های تصادفی را تولید و از آن‌ها برای تولید تعداد زیادی عدد تصادفی استفاده کرد.

به گفته‌ی ژانت زاهاریوا، هم‌بنیان‌گذار شرکت بریتانیایی کوانتوم دایس، مولدهای کوانتومی عدد تصادفی «ذاتا پیش‌بینی‌ناپذیر» هستند. با این‌حال حتی برخی از این سیستم‌های جدید در معرض خطاهایی قرار دارند که می‌توانند باعث سوگیری در نتایج شوند. به گفته‌ی زاهاریوا: «آنچه به دست می‌آورید سیستمی ترکیبی از آنتروپی کوانتومی و نویز کلاسیک است.»

برخی مولدهای عدد تصادفی کوانتومی به تجهیزاتی وابسته هستند که می‌توانند به مرور زمان از ماهیت تصادفی آن‌ها بکاهند. برای مثال اگر یک فوتون به حسگر برخورد کند، اندکی گرم می‌شود و می‌تواند آن را کمابیش به برخوردهای آینده حساس کند.

به بیان دیگر یک پدیده‌ی کاملا تصادفی دارید، اما ممکن است آشکارسازی شما به گونه‌ای دچار سوگیری شود و از ماهیت تصادفی خروجی آن بکاهد. با پیشرفت فناوری کوانتومی می‌توان انتظار داشت که مولدهای عدد تصادفی نوآورانه‌تر و امن‌تری را در آینده مشاهده کنیم.

در شرایط فعلی، همیشه وب‌سایت random.org در دسترس است. گاهی اوقات افراد برای مادز هار درباره‌ی مشاهده‌شان از یک توالی پیش‌بینی‌پذیر از اعداد در نتایج سایت شکایت می‌کنند. این مسئله به این دلیل رخ می‌دهد که انسان‌ها در تشخیص ماهیت تصادفی بسیار بد عمل می‌کنند. به نظر می‌رسد که می‌توانیم الگوهایی را در همه چیز ببینیم. هار از وقت‌گذاشتن و پاسخ دادن و توضیح دادن این مفاهیم با جزئیات بالا لذت می‌برد.

هار شاید در ابتدا قصد نداشت منبعی مثل random.org را راه‌اندازی کند، اما به‌مرورزمان متوجه شد این همان کاری است که می‌خواست انجامش دهد. شاید یکی از دلایل این مسئله این باشد که هار اهل دانمارک است. دانمارک یکی از کشورهایی است که کمترین فساد را در سطح جهان دارد. امروزه افراد از وب‌سایت او برای اهداف کاربردی مختلف استفاده می‌کنند.

باید اشاره کرد که قطعا هار و همکارانش در random.org می‌توانند انگیزه‌ی نسبتا زیادی برای تغییر نتایج وب‌سایت داشته باشند، بااین‌حال او تأکید دارد که آن‌ها هرگز این کار را نمی‌کنند؛ چرا که برخلاف آرمان‌ها و اهدافشان است؛ اما به هر حال چنین تردیدی منصفانه محسوب می‌شود؛ زیرا امکان اعمال تغییر در نتایج وجود دارد. صرف‌نظر از اینکه مولد عدد تصادفی چقدر عالی باشد، باید باز هم به شخصی که آن را راه‌اندازی کرده است، اعتماد کنید. هار می‌گوید:

همیشه مقداری اعتماد در فرآیند لازم است. شما باید به آن باور داشته باشید.