Биохимическое случайное число

Биохимическое случайное число

Истинные случайные числа требуются в таких разнообразных областях, как игровые автоматы и шифрование данных. Эти числа должны быть действительно случайными, чтобы их не могли даже предсказать люди, хорошо знающие метод, используемый для их генерации.

Как правило, они создаются физическими методами. Например, из-за мельчайших высокочастотных движений электронов электрическое сопротивление провода не является постоянным, а, наоборот, слегка колеблется непредсказуемым образом. Это означает, что измерения этого фонового шума можно использовать для генерации истинных случайных чисел.

Теперь, впервые исследовательская группа под руководством Роберта Грасса, профессора Института химии и биоинженерии, описала нефизический метод генерации таких чисел: метод, который использует биохимические сигналы и действительно работает на практике. В прошлом идеи, выдвигаемые другими учеными о генерации случайных чисел химическими методами, были в основном теоретическими.

Синтез ДНК со случайными строительными блоками

Для этого нового подхода исследователи ETH Zurich применяют синтез молекул ДНК, известный метод химических исследований, который часто используется в течение многих лет. Его традиционно используют для получения точно определенной последовательности ДНК. В этом случае, однако, исследовательская группа построила молекулы ДНК с 64 позициями строительных блоков, в которых одно из четырех оснований ДНК A, C, G и T было случайным образом расположено в каждой позиции. Ученые достигли этого, используя смесь четырех строительных блоков, а не только одного, на каждом этапе синтеза.

В результате относительно простой синтез произвел комбинацию примерно из трех квадриллионов отдельных молекул. Впоследствии ученые использовали эффективный метод для определения последовательности ДНК пяти миллионов этих молекул. В результате получилось 12 мегабайт данных, которые исследователи сохранили в виде нулей и единиц на компьютере.

Огромное количество случайности в небольшом пространстве

Однако анализ показал, что распределение четырех строительных блоков A, C, G и T не было полностью равномерным. Либо сложности природы, либо применяемый метод синтеза привели к тому, что основания G и T интегрируются в молекулы чаще, чем A и C. Тем не менее, ученые смогли исправить это смещение с помощью простого алгоритма, тем самым генерируя идеальные случайные числа.

Основная цель профессора ETH Грасса и его команды заключалась в том, чтобы показать, что случайные явления в химической реакции могут быть использованы для генерации идеальных случайных чисел. Поначалу перевод открытия в прямое приложение не был главной задачей. «Однако по сравнению с другими методами наш метод имеет то преимущество, что он может генерировать огромное количество случайных чисел, которые могут храниться в чрезвычайно маленьком пространстве, в одной пробирке», – говорит Грасс. «Мы можем считывать информацию и повторно интерпретировать ее в цифровой форме позже. Это невозможно с помощью предыдущих методов».


Источник истории:

Материалы предоставлены ETH Zurich . Оригинал написан Фабио Бергамином. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.


Ссылка на журнал :

  1. Линда К. Мейзер, Джулиан Кох, Филипп Л. Антковяк, Венделин Дж. Старк, Рейнхард Хекель, Роберт Н. Грасс. Синтез ДНК для генерации истинных случайных чисел . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-19757-у