Cosmic muon arrival directions as a source of entropy

في الزوايا الهادئة للفيزياء، هناك مطر مستمر وغير مرئي من الجسيمات يتساقط من السماء. هذه هي الميونات الكونية، وهي شظايا دون ذرية تولد عندما تصطدم جسيمات عالية الطاقة من الفضاء العميق بالغلاف الجوي للأرض. إنها ليست مجرد ضجيج عشوائي؛ بل هي بقايا أحداث كونية عنيفة، تسافر بسرعة تقارب سرعة الضوء. لعقود من الزمن، استخدم العلماء هذه الجسيمات لدراسة الكون، لكن خطاً جديداً من البحث يطرح سؤالاً مختلفاً: هل يمكن استخدام المسار غير المتوقع لميون واحد لخلق عشوائية مثالية؟ هذا سؤال ذو قيمة عملية هائلة. في العالم الرقمي، تعتبر العشوائية هي حجر الزاويد للأمن؛ فهي تحمي حساباتنا المصرفية، وتؤمن اتصالاتنا، وتدعم الاختبارات التي تتحقق من القوانين الغريبة لميكانيكا الكم. وبينما يمكن للحواسيب محاكاة العشوائية، إلا أنها في النهاية آلات يمكن التنبؤ بها. وللحصول على عشوائية حقيقية غير قابلة للكسر، يجب على العلماء التوجه إلى العالم الفيزيائي، بحثاً عن مصدر للفوضى لا يمكن لأي خوارزمية أن تتوقعه أبداً.

لقد أثبت باحث في جامعة كارناتاكا المركزية الآن أن اتجاه وصول هذه الميونات يوفر بالضبط مثل هذا المصدر. وباستخدام كاشف بُني في الأصل للمساعدة في تصميم مرصد ضخم للنيوترينو، تتبع الباحث مسارات الملايين من الميونات على مدار ستة أشهر. وقد سجل الكاشف، وهو عبارة عن مجموعة من الصفائح الكبيرة المملوءة بالغاز، الزاوية الدقيقة التي عبرت من خلالها كل جسيمة. ووجد الباحث أن هذه الزوايا ليست عشوائية فحسب، بل هي بئر غنية وغير مستغلة من "الإنتروبيا"، أو الاضطراب، التي يمكن تحويلها إلى بتات رقمية. ومن خلال تحليل البيانات، أظهر أن كل مسار ميون يمكن أن يولد ما يصل إلى أربعة بتات من المعلومات العشوائية عالية الجودة. ويعد هذا اكتشافاً هاماً لأنه يثبت أن الاتجاه الذي تصل منه الجسيمة لا يقل أهمية في توليد العشوائية عن وقت وصولها، وهي طريقة كانت تُستخدم سابقاً.

اعتمدت التجربة على إعداد محدد يقع في مومباي، الهند. كان الجهاز عبارة عن برج مكون من اثني عشر طبقة من غرف الصفائح المقاومة، مساحة كل منها متر مربع واحد. هذه الغرف هي في الأساس كواشف تشبه "الساندوتش" مملوءة بغاز خاص. وعندما ينطلق الميون عبر الغاز، فإنه يترك أثراً من الإشارات الكهربائية على شرائط نحاسية تبطن الصفائح. ومن خلال النظر في أي الشرائط قد استجابت في كل طبقة، استطاع الباحث إعادة بناء المسار الدقيق للميون، وحساب زاوية السمت (zenith angle)، التي تخبره بمدى شدة نزوله، وزاوية السمت الأفقية (azimuth angle)، التي تخبره بالاتجاه البوصلي الذي جاء منه. وعلى مدار حوالي 55 يوماً، سجل النظام ما يقرب من 138 مليون حدث. ومع ذلك، لم تكن جميعها مفيدة؛ فقد كان الكاشف نموذجاً أولياً، وكانت بعض طبقاته تعاني من ضجيج أو أعطال. اضطر الباحث إلى تصفية البيانات بعناية، وإزالة الأحداث التي بدت وكأنها خلل إلكتروني أو جسيمات تشتتت كثيراً، مما ترك له مجموعة نظيفة تضم حوالي 5.6 مليون مسار ميون للتحليل.

بمجرد تنظيف البيانات، واجه الباحث تحدي تحويل هذه الزوايا إلى أرقام. قام بتقسيم الزوايا الممكنة إلى "حاويات" صغيرة، وتعيين صفر أو واحد اعتماداً على الحاوية التي وقع فيها الميون. في البداية، وجد عدم توازن طفيف في النتائج؛ حيث لم يكن التوزيع متساوياً تماماً، ويرجع ذلك على الأرجح إلى هيكل المبنى فوق الكاشف أو عيوب بسيطة في المعدات. ولإصلاح ذلك، طبق عملية "تكييف رياضي"، وهي عملية خلط البتات معاً لغسل هذا الانحياز. قللت هذه الخطوة من كمية البيانات قليلاً ولكنها ضمنت أن المخرجات النهائية كانت عشوائية حقاً. وكانت النتيجة تدفقاً من البتات التي اجتازت اختبارات إحصائية صارمة وضعها المعهد الوطني للمعايار والتقنية (NIST)، وهو المعيار الذهبي للعشوائية.

كشفت الدراسة أن هذه الطريقة فعالة للغاية. فقد منح كل مسار ميون قيمة إنتروبيا تقترب من بت واحد لكل بت، مما يعني أن المعلومات كانت غير قابلة للتنبؤ بها بشكل شبه مثالي. ومع حجم الكاشف الحالي، يولد النظام أرقاماً عشوائية بمعدل 650 بت في الثانية تقريباً. وأشار الباحث إلى أن هذا المعدل ليس هو الحد الأقصى؛ فإذا قاموا ببناء كاشف أكبر، ربما بمساحة مترين في مترين، يمكن أن يقفز المعدل إلى حوالي 2,500 بت في الثانية. كما استكشفوا طرقاً لاستخراج المزيد من البيانات من كل جسيم باستخدام استراتيجيات تقسيم أكثر تعقيداً، لكنهم وجدوا أن الضغط الزائد يؤدي إلى أخطاء تجعل البيانات تفشل في اختبارات العشوائية. وكانت "النقطة المثالية"، كما وجدوا، هي استخدام طريقة محددة تنتج أربعة بتات لكل مسار ميون دون المساس بالجودة.

بعيداً عن علم التشفير، يفتح هذا العمل باباً لتجارب الفيزياء الأساسية. أحد أكبر التحديات في اختبار ميكانيكا الكم هو ثغرة "حرية الاختيار" (freedom-of-choice)، وهي سيناريو قد تتأثر فيه إعدادات التجربة سراً بالجسيمات التي يتم قياسها. ولإغلاق هذه الثغرة، يحتاج العلماء إلى اختيار إعدادات القياس الخاصة بهم باستخدام مصدر عشوائية مستقل تماماً عن التجربة. وبينما تقترح بعض المقترحات استخدام الضوء من الكوازارات البعيدة لهذا الغرض، تشير الدراسة الجديدة إلى أن الميونات الكونية يمكن أن تؤدي الدور نفسه. وقد حسب الباحث أنه إذا تم وضع كاشفين بعيدين عن بعضهما، فإن احتمال التقاطهما لميون في نفس اللحظة لاتخاذ قرار سيكون منخفضاً جداً مع الأجهزة الصغيرة. ومع ذلك، إذا تم جعل الكاشفات أكبر بكثير، لنقل خمسة أمتار في خمسة أمتار، فإن احتمال الكشف المتزامن سيرتفع إلى ما يقرب من النصف، مما يجعل الإعداد أداة قابلة للتطبيق لهذه الاختبارات العميقة.

تعد النتائج بمثابة إثبات للمبدأ بأن السماء نفسها يمكن أن تكون مولداً للعشوائية المثالية. لا يدعي هذا العمل أنه قد حل جميع المشكلات في توليد الأرقام العشوائية، ولا يشير إلى أن هذا الكاشف تحديداً جاهز للاستخدام التجاري. بدلاً من ذلك، فإنه يوضح مساراً واضحاً للمضي قدماً. ومن خلال إظهار أن اتجاه جسيم كوني هو مصدر موثوق للإنتروبيا، فقد أضاف الباحث أداة جديدة إلى حقيبة أدوات الفيزيائي. إنه تذكير بأنه حتى في أكثر جوانب حياتنا اليومية رتابة، مثل مطر الجسيمات المتساقط من السماء، تكمن بنية فوضوية عميقة يمكن تسخيرها لتأمين مستقبلنا الرقمي واستقصاء أعمق أسرار الكون.