作者:晋楠 来源:中国科学报 发布时间:2018-7-11
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让随机性更公平可信
多国科学家探索创建公共随机数据生成器

 

图片来源:ISTOCK.COM/TOSTPHOTO ADAPTED BY C. AYCOCK/SCIENCE

在智利,政客们憎恨总审计长,他负责审计政府官员以防止腐败。尽管审计是随机的,但接受审查的官员有时会抱怨不公平。圣地亚哥智利大学计算机科学家Alejandro Hevia说:“审计人员必须让公众相信他们在诚实地做工作。”他与世界各地的研究人员一道,正在开发一种技术,从而让批评者相信审计是真正随机的:公共随机数据生成器。

7月10日,Hevia团队将揭开一项在线随机数据服务。7月底,美国国家标准和技术机构(NIST)也将启动“随机信标”并将其作为一项永久性服务,从而对2013年开始的试点项目进行升级。巴西也计划在2019年底建立一个信标。所有这些均旨在改进商业随机数据生成器,不仅是提供免费的服务,而且可通过透明协议生成随机数据,永久存档。这些服务可以让密码和彩票等日常应用受益,也可以用于研究。一些科学模拟方法依赖于随机数据,临床医生可在药物试验中使用它们,从而公平地分配谁得到治疗或安慰剂。

“我们希望把随机性放到互联网上,让人们以他们能发现的任何方式使用。”马里兰州盖瑟斯堡计算机科学家、带领美国项目的Rene Peralta说,“我把它看作是数字基础设施。”

真正随机的数字序列没有模式或可预测性。如果知道某一天的序列,也不会为一分钟或一天后发布的序列提供任何提示。但这一理想并不容易实现。一些在线随机数据生成器依赖于算法,这意味着它们的输出在原则上是可预测的;其他的数据则依赖于随机物理现象。NIST信标则结合了上述两种方法,每60秒生成512个“0和1”或比特的字符串。它从两个商业随机数据生成器(依赖于电路中的电子噪声)的输出开始,然后通过将这些数据组合在数学运算中,减少潜在的偏差,从而增加数据的不可预测性。智利的信标将电路噪声与其他无序数据结合在一起,如实时地震测量、在线推特网帖子、无线电流和密码货币交易等。

计算机科学家认为,随手可得的、可信赖的随机数据可用于更公平地提供公共服务。除了帮助总审计长维持其信誉外,Hevia还在推动利用智利的信标,通过抽签将学生分配到各个学校。在美国,政府可使用公共随机数据分配签证。Peralta说:“如果你是一名申请人,却没有被选中,你会知道这是因为你不够幸运,而不是因为你是穆斯林。”里约热内卢巴西国家计量、质量和技术研究所计算机科学家Raphael Machado说,巴西希望利用该服务向法官分配案件。

这些数据还可以作为验证数字文档的时间戳,从而提高安全性。该想法类似于典型的绑匪协议:为了证明人质是活着的,绑架者要在当天的报纸上给人质拍照。与此类似,与数字文档相关联的随机数据可证明文档在该数据生成之前没有被修改过。

公共随机性的最初动机之一是帮助开发一种叫作零知识协议的简洁密码技术,该协议要求每一方都能访问相同的随机数据。“我可以向服务器证明我知道密码是什么,但从来不用告诉它。”渥太华大学计算机科学家Carlisle Adams说,“这样安全保障将增加百万倍。”Machado说,然而,目前的协议太慢了,因此信标开发人员已经开始开发其他应用程序。

只有当人们相信信标为随机时,它才对安全应用有价值。瑞士洛桑联邦理工学院计算机科学家Bryan Ford说,一些密码学家一直不信任NIST。2007年,NIST的一个加密标准包含了一个安全漏洞,新闻报道暗示是美国国家安全局故意插入该漏洞。Ford说:“总的来说,我信任NIST。”他表示,信标“对需要一些随机性,但安全性并不重要的应用来说可能很好”。

最终,计算机科学家要找到一种可以防止黑客的随机性的黄金标准:量子生成的随机数据。量子物体在测量之前没有确定的状态,这意味着随机的结果受自然法则保证。今年4月,NIST表示已经开发出一种基于单光子的量子随机数据生成器,并计划在未来与公共信标集成。

NIST计划在明年举办研讨会,对其随机性信标的新用途进行头脑风暴。Peralta期待一些创造性的想法。在随机信标初期,有人认为上帝会通过信标对他讲话。他基于其输出选择了《圣经》的一些段落,然而看到经文的顺序没有意义,他就写信向Peralta抱怨。“我收到过这样有趣的邮件。”Peralta说,他期待更好的想法。

(晋楠编译)

《中国科学报》 (2018-07-11 第3版 国际)
 
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