По-справжньому випадкові числа мають цілу низку практичних застосувань – від казино до шифрування даних. Щоб якесь число вважалось по-справжньому випадковим, його не повинні передбачити навіть люди з глибокими знаннями методів генерування таких чисел.
Переважно для отримання таких чисел використовують фізичні методи. Наприклад, завдяки незначним високочастотним коливанням електронів опір провідника не є цілком постійним, а злегка відхиляється в один чи інший бік. Оскільки ці незначні коливання неможливо передбачити, використовуючи жоден із відомих науці методів, їх можна використати для отримання справді випадкових чисел.
Дослідницька команда на чолі з Робертом Ґрассом, професором Інституту хімічних та біоінженерних досліджень Вищої технічної школи Цюріха (Швейцарія), описала нефізичний метод генерування таких чисел, який працює на основі використання біохімічних сигналів і може застосовуватись на практиці. Раніше ідеї отримання випадкових чисел за допомогою хімічних засобів були здебільшого теоретичними.
Для цього вчені застосували синтез молекули ДНК – метод біоінженерії, який використовують уже багато років, за допомогою якого науковці створюють точно визначені генетичні послідовності. У цьому випадку дослідницька команда сформувала молекулу ДНК із 64 позиціями будівельних блоків, у кожну з яких випадково помістили одну з чотирьох азотистих основ (А, Ц, Т і Г). Цього вдалося досягнути завдяки використанню блоків із чотирьох основ замість однієї на кожному етапі синтезу.
Комбінуючи чотири азотисті основи у 64 позиціях, учені отримали приблизно три квадрильйони індивідуальних молекул. Згодом за допомогою спеціального методу вони визначили генетичні послідовності для п’яти мільйонів із них. Коли їх записали комп’ютерним двійковим кодом, дослідники отримали приблизно 12 МБ даних.
Виявилось, щоправда, що розподіл А-, Ц-, Т- і Г-елементів у цій послідовності не був цілком випадковим. Із не до кінця зрозумілих природних або технічних причин основи Т і Г зустрічалися у ній дещо частіше, ніж А і Ц. Проте за допомогою відносно простого алгоритму науковці зуміли відкоригувати це упередження, отримавши у підсумку дійсно випадкові числа.
Основною метою дослідження команди професора Ґрасса було показати, що довільні явища у хімічних реакціях можна використати, щоби отримати повністю випадкові числа. Плануючи цей експеримент, науковці не думали, як його результати можна буде застосовувати на практиці. Однак виявилося, що їхній метод може мати перевагу над іншими способами отримання випадкових чисел. «Наш метод може породжувати величезні кількості випадкових числових послідовностей, які можна компактно зберігати й за потреби оцифровувати. З іншими методами це наразі неможливо», – резюмує Роберт Ґрасс.
Стаття з описом дослідження опублікована 18 листопада у журналі Nature Communications.
Science Daily, 20/11/2020
Зреферував Є. Л.
Оригінал дослідження:
Linda C. Meiser, Julian Koch, Philipp L. Antkowiak, Wendelin J. Stark, Reinhard Heckel, Robert N. Grass.
DNA synthesis for true random number generation
Nature Communications, 2020; 11 (1)
30.11.2020