Цифровой журнал «Компьютерра» № 42

В криптографии секретные коды представляют собой хаотические наборы (последовательности) нулей и единиц (это соответствует двоичному представлению целых чисел). Такое представление соответствует способу получения этих последовательностей. Берется некоторый «шумящий» прибор, который в данный момент времени может как выдать, так и не выдать определенный сигнал (в зависимости от результата в шифр заносится единица или нуль). Имеется довольно большое разнообразие таких приборов. Главные критерии их качества — быстрота фиксации и «непредсказуемость» наличия сигнала.

В частности, в октябрьском номере журнала Nature Photonics сообщается, что группа ученых из Германии и Дании создала квантовый генератор хаотических сигналов, который стал одним из лучших в мире по указанным критериям. Как пишет журнал «Успехи физических наук», принцип работы генератора основан на случайном характере вакуумных колебаний электромагнитного поля.

В литературе по криптографии хаотические последовательности нулей и единиц часто называют случайными числами. Понятие случайного (псевдослучайного) числа используется также в теории и приложениях численного статистического моделирования (или в методах Монте-Карло). Здесь случайные числа используются для имитации (моделирования) траекторий различных случайных процессов на компьютере с целью оценки требуемых усредненных характеристик этих процессов.

О том, в чем схожи и различны понятия и способы реализации случайного числа в криптографии и в вычислительной математике, рассказывает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН, профессор кафедры вычислительной математики Новосибирского государственного университета, специалист в области теории методов Монте-Карло Антон Войтишек.

- Антон Вацлавович, чем различаются случайные и псевдослучайные числа в теории методов Монте-Карло? Как они соотносятся с понятием случайного числа в криптографии?

- При применении методов численного статистического моделирования требуется получать на компьютере выборочные значения случайных величин с различными законами распределения. Здесь используются различные формульные и алгоритмические преобразования стандартных случайных чисел α_j которые распределены равномерно в интервале (0,1) («на пальцах» это означает, что частота появления этих чисел в различных частях единичного интервала одинакова). А вот для получения чисел α_j используются датчики (генераторы) стандартных случайных чисел.

Различают физические датчики случайных чисел (основанные, кстати, на использовании упомянутых выше «шумящих» приборов) и генераторы псевдослучайных чисел (это специальные компьютерные программы, имеющие в языках программирования названия RAND или RANDOM).

Конструирование физических датчиков основано на том, что двоичное представление стандартного случайного числа α (а именно такое представление чисел реализуется в компьютере) имеет вид

α = 0,10011001010...

то есть целая часть числа равна нулю (ведь α расположено между нулем и единицей), а в «хвосте», следующем после запятой (этот «хвост» по научному называется мантиссой, а нули и единицы заполняют разряды мантиссы), стоят нули и единицы. Появление нуля и единицы (вне зависимости от значений в соседних разрядах) происходит с равной вероятностью (то есть с вероятностью 1/2).

Далее нужно сконструировать тот самый «шумящий» прибор, выдающий или не выдающий случайный сигнал в данный момент времени. Получение стандартных чисел α_j сведется к формированию соответствующих «хвостов» (мантисс) с помощью многократного обращения к прибору (наличие сигнала даст единицу в разряде мантиссы, отсутствие его даст нуль).

Определенная сложность состоит в том, что для применения методов Монте-Карло требуется прибор, позволяющий получать нули и единицы в разрядах мантиссы с равной вероятностью.

К слову, при получении чисел (шифров) в криптографии последнее требование желательно, но не обязательно. Здесь нет нужды увязывать наборы нулей и единиц с приведенным выше представлением стандартного числа α_j. Если обнаруживаются слишком длинные серии нулей или единиц, то реализуются специальные алгоритмы, удаляющие следы повторяемости. Это тоже обуславливает существенное отличие «криптографических» чисел от стандартных случайных чисел, используемых в методах Монте-Карло: для последних длинные серии нулей и единиц в мантиссе вполне допустимы.

- Какие сигналы можно использовать в физических датчиках?