Finalmente hemos descubierto cómo hacer números verdaderamente aleatorios.

Eeny, meeny, miny, mo, atrapa un tigre por el dedo del pie, así dice la rima. Pero incluso los niños saben que rimas como ésta no ayudan a tomar una decisión verdaderamente aleatoria. ¿Quizás recuerdas cuando te diste cuenta por primera vez de que podías jugar con el resultado eligiendo cuidadosamente el punto de partida?

Lanzar una moneda o tirar un dado podría ser mejor, pero intenta demostrar que el resultado de tu lanzamiento es aleatorio y te verás obstaculizado. Esto se debe a que estas cosas no son realmente aleatorias: si supieras la posición precisa del dado o la moneda en tu mano, la trayectoria del lanzamiento, la fuerza de la gravedad y factores sutiles como la resistencia del aire o la fricción de la superficie de aterrizaje, podrías predecir el resultado. La verdadera aleatoriedad es difícil de conseguir.

La cuestión es que ahora sabemos que la aleatoriedad es real, incorporada en la estructura misma del universo en forma de mecánica cuántica. Si se le da a elegir entre dos caminos, una entidad cuántica –como un electrón o un fotón de luz– tomará uno completamente al azar: no hay una causa predecible detrás de un efecto cuántico. El Randomness Beacon de la Universidad de Colorado, apodado cariñosamente CURBy, aprovecha este fenómeno. Entró en línea este año como la primera fuente de acceso público del mundo de números rastreables, verificables y verdaderamente aleatorios.

Quizás se pregunte quién necesita una aleatoriedad tan radical. Después de todo, la gente ha estado lanzando alegremente dados y monedas durante milenios. Pero hay aplicaciones en las que es fundamental generar la mayor aleatoriedad posible. “La gente no se da cuenta, pero sin la aleatoriedad, la vida digital no sería segura ni justa”, dice Nemitari Ajienka, un científico informático interesado en la aleatoriedad verificable en la Universidad de Nottingham Trent en el Reino Unido. Cada vez que te conectas a una página web segura o generas una contraseña segura, hay un nivel de aleatoriedad en juego, afirma. Y el aprendizaje automático tiene aleatoriedad incorporada en el entrenamiento.

Otro uso es apoyar la democracia. En Chile, por ejemplo, los políticos y servidores públicos son sometidos a auditorías tributarias aleatorias, y los elegidos tienden a objetar que el sistema los está atacando por una razón nefasta. “Todo el mundo se queja de que es una caza de brujas”, dice Krister Shalm, uno de los creadores de CURBy en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos. Esas afirmaciones son mucho más difíciles de hacer si el sistema emplea una baliza de aleatoriedad cuyos números se derivan de fuentes verdaderamente aleatorias.

Por el momento, el gobierno chileno obtiene su aleatoriedad analizando, entre otras cosas, la actividad sísmica y la producción de la emisora ​​de radio de la Universidad de Chile. Pero todavía no es completamente aleatorio: después de todo, la actividad sísmica ocurre por una razón, y alguien está decidiendo la lista de reproducción de la estación de radio. Tampoco es totalmente rastreable, dado que la gente no puede acceder de forma rutinaria a los datos sísmicos. CURBy, sin embargo, es ambas cosas.

El generador de aleatoriedad cuántica

Hace diez años, el sistema “se mantenía unido mediante cinta adhesiva y oraciones”, según Shalm. Fue entonces cuando los investigadores detrás de esto hicieron por primera vez su minuciosa prueba de principio para CURBy. Mientras tanto, han estado trabajando para que el sistema sea rápido, automatizado y esté listo para ser utilizado (en cualquier momento) por cualquier persona con acceso a Internet.

Ahora CURBy es una instalación de vanguardia que atiende miles de solicitudes de usuarios todos los días. Podría ayudar a apuntalar la democracia, mejorar la confianza en los sistemas judiciales e incluso traer armonía a una noche de juegos familiar. “CURBy representa una tecnología cuántica funcional y accesible al público. Para mí, se trata de un avance apasionante”, afirma Peter Brown, físico del Instituto Politécnico de París.

Crear números verdaderamente aleatorios es difícil. Muy poco en el universo opera por verdadera aleatoriedad porque, a menos que se trate de cosas cuánticas, siempre hay un mecanismo detrás de la generación de números. Incluso se puede engañar a las computadoras que producen números “pseudoaleatorios” para crear contraseñas seguras. Las contraseñas se generan a partir de un número “semilla”, y si conoce la semilla y el algoritmo, no tienen nada de aleatorio.

Se podría ir más allá y utilizar fuentes de aleatoriedad de “alta entropía”, como el momento impredecible de una desintegración radiactiva de un trozo de material (cobalto-60 o estroncio-90, tal vez). Este es un evento cuántico aleatorio, pero difícil de hacer fácil de usar. Y a menos que haya alguien en la habitación contigo, no siempre podrás demostrar que no inventaste los números.

También constituye un juego de Yahtzee bastante peligroso, y con CURBy ahora disponible, simplemente no hay necesidad de exponer a los miembros de la familia a la radiación. En cambio, CURBy se basa en pares de fotones conectados por un fenómeno cuántico llamado entrelazamiento cuántico.

Cuando dos entidades están entrelazadas, se comportan como si fueran, en algún sentido, una sola cosa. Esta extraña situación aparece cuando realizas una medición en una de las entidades y luego realizas una medición similar en la otra. En determinadas circunstancias, la primera medición influye en el resultado de la segunda, incluso si los objetos cuánticos han sido trasladados a lados opuestos del universo y no es posible que hayan intercambiado ninguna información. Es como tirar dos dados y descubrir que si uno sale como 6, el otro siempre sale como 1.

El entrelazamiento entre objetos cuánticos, conocido como “acción espeluznante a distancia” por Albert Einstein, desafía el sentido común: ocurre sin que se envíe ninguna señal entre los dos. Nadie ha ideado nunca un mecanismo físico para explicar cómo sucede esto.

Dentro de CURBy, el entrelazamiento aparece en las mediciones de una propiedad llamada polarización. Se separan pares de fotones entrelazados y se envían a través de fibras ópticas a dos destinos separados por 100 metros. En cada lugar, el aparato mide la polarización, transcurriendo sólo un tiempo muy corto entre las dos mediciones.

A continuación, los resultados de las mediciones están “correlacionados”: existe una relación sutil entre los resultados, cuyo alcance CURBy puede analizar. En condiciones “clásicas”, existe un límite superior en esta medida, pero si el comportamiento es verdaderamente cuántico y, por lo tanto, aleatorio, el límite se excede y puede usarse para producir números aleatorios. Esto se hace “purificando” la aleatoriedad inherente mediante una técnica llamada extracción trevisana. CURBy puede realizar alrededor de 250.000 mediciones de polarización por segundo, y se necesitan alrededor de 15 millones de mediciones para producir su producto final: una cadena de 512 dígitos binarios, o bits, verdaderamente aleatorios que las personas pueden usar como quieran.

Si quieres saber exactamente qué tan aleatorios son esos bits, existe un algoritmo para ello. Dado que hay 512 bits en una cadena y cada bit puede ser 0 o 1, eso significa que hay 2512 combinaciones posibles. “Es una enorme cantidad de posibilidades”, dice Shalm.

Todos ellos deberían tener la misma probabilidad de aparecer, y Shalm y sus colegas han podido medir la probabilidad de que aparezca una cadena particular de bits. No es perfectamente uniforme, pero bien podría serlo. Piense en ello como si quisiera un camino que sea completamente plano. Si la pendiente es de 1 en 10, es una colina empinada. Incluso se nota 1 entre 100 (1 metro de desnivel en 100 metros de carretera). El gradiente equivalente a la aleatoriedad de CURBy es 1 entre más de 184 quintillones: tan aleatorio como cualquiera necesita.

Demostrando aleatoriedad

La aleatoriedad no es el único punto fuerte de CURBy; de hecho, lo principal es que cualquiera puede rastrear los números hasta su origen y demostrar que son aleatorios, dice Shalm. “Actualmente no existe una buena manera de hacerlo con ningún tipo de generador de números aleatorios”, afirma.

Para que su aleatoriedad sea rastreable, los investigadores de CURBy han tomado prestado de las matemáticas de blockchain utilizadas para garantizar la seguridad de los activos digitales como NFT y criptomonedas. Es esencialmente una forma de verificar qué se hizo, cuándo y quién (en un escenario en el que nadie confía en nadie) y todo se puede rastrear hasta el resultado original del experimento.

El otro factor que dificulta que alguien juegue con el sistema es que todo el proceso se distribuye entre una variedad de instituciones. NIST pasa los datos cuánticos a un aparato de la Universidad de Colorado Boulder para su procesamiento, y luego un servicio criptográfico independiente conocido como Distributed Randomness Beacon Daemon agrega su propio conjunto de ingredientes para extraer la verdadera aleatoriedad contenida en los datos de medición y convertirlos en la cadena binaria uniforme final.

“Es casi como una telaraña de cosas conectadas y ordenadas en el tiempo”, dice Shalm. “Ninguna de las partes tiene control total sobre cuáles son los bits aleatorios, y puedes regresar y ver si alguien hizo trampa o intentó cambiar las cosas”.

La integración de toda la física necesaria con análisis de seguridad de alto nivel es “bastante notable”, afirma Brown. Las tecnologías cuánticas generalmente se encuentran todavía en una etapa de desarrollo, señala, y hay pocos productos completos disponibles. ¿Pero será útil CURBy? Sin lugar a dudas, dice Brown, aunque hay aplicaciones en las que definitivamente no se debe utilizar la aleatoriedad rastreable. “No querrás elegir tus contraseñas basándose en una fuente pública de aleatoriedad”, afirma.

Pero la selección de jurados y jueces para los casos, la generación de resultados de lotería y el muestreo aleatorio en ensayos clínicos son algunos ejemplos en los que la aleatoriedad rastreable sería una bendición. El matemático de la Universidad de Oxford, Artur Ekert, también está impresionado. La forma en que el equipo de CURBy ha combinado la física cuántica y la clásica para crear una tecnología de vanguardia pero accesible es una señal de lo que está por venir, afirma.

De hecho, dice Shalm, CURBy está diseñado explícitamente para ser compatible con otras tecnologías futuras. En otras palabras, la verdadera aleatoriedad se incorporará a todos nuestros futuros, haciendo del mundo un lugar más justo y seguro. Seguro que es mejor que lanzar una moneda al aire.

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