Les Scientifiques Du Monde Entier Recherchent Le Pur Hasard

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L'étrange quantique et les fils twitter ajoutent à l'entropie de ces balises aléatoires publiques.

Vous prenez l'autoroute pour rentrer chez vous et comptez sur le service d'eau pour prendre un verre. Mais avez-vous déjà ressenti le besoin d'un caractère aléatoire accessible au public?

Les gouvernements et les chercheurs du monde entier pensent que vous pourriez le faire, avec des projets en préparation pour produire des sources publiques, ou "balises", de manière aléatoire. Des expériences de physique quantique aux projets distribués que toute personne possédant un ordinateur portable pourrait aider à produire, un large éventail d’efforts vise à mettre l’aléatoire à la portée de la main.

Le caractère aléatoire accessible au public contribue à assurer la sécurité en ligne, des élections libres et des pratiques d'immigration équitables - et peut même aider à résoudre des questions profondes sur la nature de l'univers. Mais produire ces balises aléatoires - des nombres sûrs, véritablement aléatoires, sur lesquels le public peut compter - pose d'énormes défis, en envoyant les chercheurs dans l'univers quantique et au-delà à la recherche de phénomènes fondamentalement imprévisibles. Voici pourquoi les scientifiques considèrent le hasard comme un service public - et comment ils essaient de créer des dégâts dans votre intérêt.

Qu'est-ce qui compte comme aléatoire?

Nous en avons tous fait l'expérience, mais nous ne savons peut-être pas exactement ce que c'est: le hasard est le niveau de désordre et d'imprévisibilité d'un système. En réalité, le pur hasard est fondamentalement imprévisible, a déclaré le physicien Krister Shalm, qui dirige les expériences quantiques pour le US National Institute. des normes et de la technologie (NIST). Par exemple, si vous surveilliez une source de nombres véritablement aléatoires pour toujours, vos chances d'obtenir un nombre donné seraient les mêmes. (Le caractère aléatoire diffère légèrement de l'entropie du terme associé, qui est une mesure numérique du désordre.) [Les 11 plus belles équations mathématiques]

Pourquoi quelqu'un voudrait-il augmenter le désordre dans le monde? Il s’avère que les sources publiques d’aléatoire peuvent aider à un certain nombre de tâches, allant de la sauvegarde de la cryptographie complexe au remaniement des jeux de cartes dans les jeux en ligne, a déclaré Ewa Syta, informaticienne au Trinity College du Connecticut.

"Le hasard public est utilisé dans... tout type de système qui nécessite un moyen de prendre une décision... de faire tout ce que vous voulez, un moyen juste de vous mettre d'accord sur des choses", a déclaré Syta à WordsSideKick.com. "Fondamentalement, ce que le hasard public vous donne est un moyen de mettre en place un tirage au sort équitable."

La partie publique de ces projets garantit que de nombreuses parties peuvent vérifier et faire confiance à ce jeu, a déclaré Michael Fischer, un informaticien de l’Université de Yale qui a mené une consultation sur un nouvel indicateur gouvernemental aléatoire. Non seulement les sorties des balises sont-elles librement disponibles, mais les méthodes sous-jacentes et les archives des sorties sont également publiques.

"Vous voulez des choix libres d'influence de la part de personnes ayant des objectifs spécifiques", a déclaré Fischer.

Aléatoire insaisissable

La création de ces entrelacs publics, ou balises aléatoires, est toutefois extrêmement difficile. Ces balises utilisent diverses sources pour leur désordre, allant de processus physiques tels que l’émission de photons ou des grondements sismiques à de longues chaînes de tweets alimentés par des transformations cryptographiques. Quelle que soit la source, les producteurs de balises poursuivent des objectifs similaires: la sortie doit être imprévisible, autonome et cohérente (ce qui signifie que différents utilisateurs peuvent s'attendre à obtenir la même chaîne aléatoire de la balise), selon le NIST. Les deux derniers traits affectent grandement la confiance et la facilité d'utilisation. Le premier aborde le cœur du hasard, selon le NIST.

"Cette question, comment savoir si quelque chose est vraiment aléatoire, c'est un problème vraiment profond et difficile", a déclaré Shalm à WordsSideKick.com.

La clé est l'imprévisibilité, a-t-il déclaré. Bien que beaucoup de choses dans la nature semblent chaotiques, elles ont presque toujours des structures sous-jacentes ou un ordre que quelqu'un pourrait, en théorie, utiliser pour faire des prédictions. Cela rend difficile la recherche de nombres vraiment aléatoires - fondamentalement imprévisibles - diablement. Par exemple, Shalm a déclaré: pensez au tirage au sort d'un match de football, cette icône du hasard. "Si vous saviez exactement quelle pression l'arbitre exerçait sur la pièce et combien de turbulences interagissent avec elle, vous pouvez prédire exactement comment cette chose va atterrir", a-t-il déclaré.

Des critiques similaires s'appliquent à (presque) tous les générateurs de nombres aléatoires basés sur un processus physique, a déclaré Shalm. Et les générateurs basés sur des logiciels peuvent également être prédits car ils suivent des algorithmes, a déclaré Rene Peralta, un informaticien qui dirige un projet de balise aléatoire pour le NIST. [Les 9 Nombres les Plus Massifs dans l'Existence]

Lancement des balises publiques

Malgré ces difficultés, les scientifiques vont de l'avant pour créer des sources publiques de hasard. Ce mois de juillet, le NIST a publié l'instance de production de sa balise randomness, une version qu'il prévoit de maintenir indéfiniment. Ce service diffuse des chaînes aléatoires de 512 bits, ou unités de données informatiques, toutes les minutes, avec la sortie horodatée et signée.

La nouvelle "version 2.0" facilite la combinaison de la sortie de la balise avec d'autres sources, ajoutant un renforcement de la sécurité nécessaire pour les utilisateurs, a déclaré Peralta. Les utilisateurs peuvent désormais fusionner la sortie de bits aléatoires du NIST avec, par exemple, une balise lancée par le gouvernement chilien, également en juillet, et une version brésilienne prévue pour 2019. Ainsi, même si quelqu'un manipule une source d'influence (et donc prédire) à sa sortie, le faisceau fusionné resterait imprévisible, a déclaré Peralta.

Pour la plupart des gens, utiliser uniquement la balise du NIST fonctionnera parfaitement, a déclaré Peralta. Mais la moindre possibilité d’attaque peut poser problème pour les applications à forte valeur ajoutée, telles que l’organisation d’une loterie à gros budget ou le choix de machines électorales à des fins de surveillance, a-t-il déclaré. Un pirate informatique qui a influencé la sortie du NIST pourrait prédire les résultats de la loterie ou quelles machines à voter seraient testées si le NIST seul fournissait le caractère aléatoire.

"La balise NIST est plus sécurisée que la plupart des systèmes d’information", car elle n’importe pas de données et se trouve dans un emplacement sécurisé, a déclaré Peralta. Mais un initié ou un attaquant soutenu par un financement et des ressources du gouvernement pourrait passer à travers tout cela, a ajouté Peralta.

Les protocoles de sécurité, tels que le cryptage des messages, font également fréquemment appel au hasard, ce qui nécessite également des garanties contre la falsification. L'aléa public peut être utilisé, par exemple, pour l'authentification lors de l'accès à des messages chiffrés, dans lesquels vous apportez la preuve de votre identité en utilisant à la fois une clé publique et une clé privée, a déclaré Syta.

Syta et d'autres chercheurs développent des systèmes alternatifs qui répondraient également aux problèmes de falsification: ces balises tirent en entropie de multiples sources "distribuées" situées dans des emplacements distincts et contrôlées par des organisations ou des individus différents. Les modèles distribués en sont encore à la phase de test, mais ils aborderont également une question connexe pour les personnes soucieuses de la sécurité: la méfiance à l'égard du gouvernement, a déclaré Syta.

Où est le hasard?

Les chercheurs du NIST ont commencé leur recherche de sources d'entropie dans le domaine quantique. La mécanique quantique, en son cœur, est une théorie aléatoire, a déclaré Shalm. Par exemple, vous ne pouvez pas prédire exactement quand un atome radioactif particulier va se désintégrer - seulement une probabilité, a écrit Scott Aaronson, directeur du Quantum Information Center de l'Université du Texas à Austin. [Physique tordue: 7 découvertes époustouflantes]

"La mécanique quantique… dit que les choses se passent de manière aléatoire", a déclaré Shalm. "Vous ne pouvez pas prédire ce qui va se passer exactement, vous ne pouvez prédire que des probabilités."

La balise NIST actuelle repose donc en partie sur un générateur de nombres aléatoires basé sur des valeurs quantiques; Ce dispositif mesure le temps d'arrivée des photons produits par un laser atténué, qui émet des photons à des moments aléatoires, a déclaré Shalm. (Pensez à ce laser comme à un robinet d’eau rétréci, mais pour la lumière, a-t-il déclaré.) La balise NIST associe cette sortie à la production de générateurs commerciaux de nombres aléatoires, qui reposent sur un bruit de circuit électronique au lieu de propriétés quantiques, augmentant ainsi l’entropie combinée. avec des transformations mathématiques.

Pendant ce temps, la balise chilienne s'appuie sur des données sismiques dans le pays sujet aux tremblements de terre, ainsi que sur des flux Twitter. Les longues chaînes de tweets concaténés sont "assez imprévisibles, car vous ne savez pas à l'avance ce que les gens vont dire", a déclaré Peralta. Un hachage cryptographique rétrécit ces longues chaînes, supprimant la structure caractéristique du langage et produisant quelque chose "d'assez uniformément aléatoire", a-t-il déclaré.

Les modèles distribués peuvent tirer du hasard à la fois des individus exécutant des programmes produisant de l'entropie sur leurs ordinateurs portables et des sociétés privées, telles que Cloudflare, qui extrait le caractère aléatoire des lampes à lave. La société prend des photos haute résolution d’un mur de motifs changeants et désordonnés de lampes.

Transformer les bugs quantiques en fonctionnalités

À mesure que ces balises approchent du pur hasard, leurs créateurs envisagent de nombreuses autres utilisations. "Tout ce qui nécessite une prise de décision équitable est une bonne application du hasard pour le public", a déclaré Syta. Cela pourrait signifier choisir les gagnants du concours Powerball ou choisir un jury, voire mélanger un jeu de cartes dans un jeu en ligne. [Photos: Les grands nombres qui définissent l'univers]

De manière plus conséquente, étant donné que la balise du NIST conserve des archives (dans une structure sécurisée ressemblant à une chaîne de blocs), cela pourrait aider les gouvernements à prouver que leurs pratiques en matière d'immigration sont justes, a déclaré Peralta. Par exemple, le programme américain Diversity Immigrant Visa, également appelé loterie aux cartes vertes, octroie des visas à des personnes de pays où l'immigration américaine est historiquement basse, en sélectionnant des destinataires potentiels au hasard dans ces régions. Cependant, quelqu'un pourrait accuser le programme prétendument aléatoire de préjugés, par exemple contre les musulmans, a déclaré Peralta.

"Mais si vous choisissez [les gagnants de loterie] en utilisant une source externe de hasard comme la nôtre, alors vous ne pourrez pas argumenter", a-t-il déclaré. Le gouvernement pourrait simplement faire référence aux archives.

Les tentatives récentes de piratage des machines à voter américaines montrent l’importance d’une autre application: les tests aléatoires, a déclaré Peralta. Sur le plan logistique, les surveillants d'élections ne peuvent examiner toutes les machines à voter, il faut donc procéder à des contrôles inopinés. Mais si les pirates informatiques peuvent prédire quelles machines seront examinées, ces agents peuvent simplement toucher à d’autres machines. Entrez la balise randomness, qui peut sélectionner des sous-ensembles imprévisibles à tester.

Quelle que soit l'application, la partie la plus cool de ces balises est qu'elles transforment des débats scientifiques approfondis en biens publics, a déclaré Shalm. Albert Einstein était célèbre pour sa querelle avec Niels Bohr et d'autres sur l'implication de la mécanique quantique selon laquelle la nature est aléatoire, Einstein disant: "Dieu ne joue pas aux dés."

"Nous prenons ce que Einstein appellerait un bug et le transformerons en fonctionnalité", a déclaré Shalm. "L'univers est aléatoire, et c'est bon. Il y a des choses intéressantes qui en sortent."

Publié à l'origine sur Science en direct.


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