Квантовый генератор случайных чисел на основе распада америция и счетчика Гейгера
Введение
Современные технологии — от криптографии до моделирования искусственного интеллекта — всё чаще требуют истинно случайных чисел. Однако большинство генераторов случайных чисел, встроенных в компьютеры, на самом деле создают псевдослучайные последовательности. Их работа основана на алгоритмах, которые при одинаковых начальных условиях (так называемом seed) всегда дают один и тот же результат.
Настоящая случайность же существует не в программном коде, а в самой природе. Именно здесь на помощь приходит квантовая физика. Одним из самых доступных способов получить квантовую случайность в домашних или лабораторных условиях является использование распада радиоактивного изотопа америция (Am-241) и счетчика Гейгера.
Почему радиоактивный распад — это квантовый процесс
Чтобы понять, почему радиоактивный распад является истинно квантовым, нужно разобраться в сути этого явления.
Каждое атомное ядро америция (или любого другого радиоактивного элемента) находится в метастабильном состоянии — оно потенциально может распасться, но когда именно это произойдет, предсказать невозможно.
Причина кроется в фундаментальных принципах квантовой механики.
1. Квантовая неопределенность
Согласно принципу Гейзенберга, невозможно точно определить сразу все параметры квантовой системы — например, энергию и время жизни возбужденного состояния.
Это означает, что момент распада ядра не подчиняется никаким детерминированным законам.
Мы можем вычислить вероятность, что ядро распадется за определённый промежуток времени, но не можем сказать точно, когда.
Если бы распад подчинялся классическим законам, то ядро «старело» бы предсказуемо — например, через 10 часов распадалось бы ровно половина образцов.
На самом деле же каждый атом «принимает решение» о распаде абсолютно случайно, а закон полураспада описывает лишь статистику большого числа таких атомов.
2. Туннелирование альфа-частицы
Америций-241 — альфа-излучатель. При его распаде из ядра вылетает альфа-частица (ядро гелия).
Классическая физика утверждает, что эта частица не может преодолеть мощный кулоновский барьер, удерживающий её внутри ядра.
Однако в рамках квантовой механики альфа-частица имеет ненулевую вероятность туннелирования — прохождения через потенциальный барьер без достаточной энергии.
То есть сам акт распада — это квантовое туннелирование, процесс, не имеющий классического аналога.
Каждое событие туннелирования происходит случайным образом и не подчиняется никакой внешней закономерности.
Как создать QRNG на основе америция и счетчика Гейгера
Создание квантового генератора случайных чисел на основе распада америция — относительно простая, но интересная задача.
Для этого требуется всего несколько компонентов:
- Источник америция-241
- Счетчик Гейгера-Мюллера (ГМ-трубка) — устройство, которое регистрирует отдельные акты радиоактивного распада.
- Микроконтроллер или компьютер — например, Raspberry Pi, который фиксирует время между срабатываниями счетчика.
Принцип работы:
Каждое срабатывание счетчика Гейгера соответствует одному акту квантового распада.
Интервалы между импульсами имеют экспоненциальное распределение — это характерная особенность процессов с постоянной вероятностью распада во времени.
Если измерять время между двумя соседними импульсами и записывать, например, младший бит этого времени, мы получаем чисто квантовую случайность.
Такой источник нельзя предсказать, подделать или воспроизвести программно.
Почему это не псевдослучайность
Обычные генераторы случайных чисел (PRNG) работают по детерминированным формулам. Даже если их результаты выглядят случайными, при одинаковом начальном состоянии алгоритм всегда выдаёт одинаковую последовательность чисел.
В отличие от этого, в квантовом генераторе:
- нет детерминированных причин для каждого события распада;
- невозможно предсказать следующее событие даже при полном знании всех параметров системы;
- результат обусловлен фундаментальной неопределенностью природы, а не ограничениями вычислительной техники.
Это и делает QRNG на основе америция истинным физическим источником энтропии.
Применение и преимущества
- Криптография:
Истинно случайные ключи делают шифрование максимально стойким, даже против квантовых компьютеров. - Научные симуляции:
Модели, использующие физическую случайность, лучше описывают хаотические системы — от климата до биологических процессов. - Игровая индустрия и искусственный интеллект:
Случайность, не зависящая от алгоритма, добавляет непредсказуемость и реализм в поведение систем. - Фундаментальные эксперименты:
QRNG используется в тестах на нарушение неравенств Белла — для доказательства реальности квантовой нелокальности.
Практические соображения
Обычно америций-241 в малых количествах содержит очень малую активность (порядка 0,3 микрокюри), следует помнить о мерах безопасности:
- Не вскрывать защитные оболочки без необходимости.
- Работать с источником на расстоянии и использовать экраны.
- Обеспечить вентиляцию и хранить элемент в герметичном корпусе.
Для регистрации альфа-частиц достаточно обычного счетчика Гейгера с чувствительной трубкой (например, SBM-20), подключённого к микроконтроллеру, который фиксирует интервалы между импульсами.
Заключение
Радиоактивный распад америция — одно из наиболее наглядных проявлений квантовой случайности.
Каждое событие распада — это результат туннелирования частицы через потенциальный барьер, абсолютно непредсказуемое и независимое от предыдущих событий.
Используя счетчик Гейгера и простой электронный интерфейс, можно создать квантовый генератор случайных чисел, который черпает энтропию напрямую из фундаментальных законов Вселенной.
Таким образом, QRNG на основе америция — это не просто физический прибор, а окно в мир истинной квантовой неопределённости, где случайность перестаёт быть иллюзией и становится самой сутью реальности.
Комментариев нет