A random number generator using biological populations as entropy sources

Imagina que estás intentando abrir una cerradura, pero la llave que necesitas es un número tan verdaderamente aleatorio que nadie, ni siquiera una supercomputadora, podría jamás adivinarlo. Este es el mundo de la criptografía, donde los "Generadores de Números Aleatorios Verdaderos" (TRNG, por sus siglas en inglés) son los guardianes de nuestros secretos digitales. Usualmente, estos guardianes dependen del baile errático e impredecible de los electrones en un cable o del siseo estático de una radio para crear sus números. Pero, ¿y si pudiéramos tomar prestada esa imprevisibilidad de algo vivo? Piensa en una multitud de personas en una habitación; si intentas predecir exactamente dónde dará cada persona su siguiente paso el próximo segundo, es imposible porque todos se mueven por sus propias razones. Los científicos se han preguntado durante mucho tiempo si podríamos usar ese tipo de movimiento caótico y vivo para generar números que sean aún más difíciles de descifrar que el ruido electrónico habitual.

Esto es exactamente lo que Hiroshi Yoshida, de la Universidad de Kyushu, exploró en un breve informe publicado en julio de 202 la propuesta de una nueva y salvaje forma de crear números aleatorios: escuchando los movimientos de contorsión y ondulación de las larvas de insectos. En lugar de solo medir el ruido electrónico, los investigadores colocaron un grupo de larvas (como gusanos de Fénix o gusanos de la harina) en un contenedor con cables metálicos clavados en ellas. A medida que las larvas se arrastran sobre los cables, cambian la resistencia eléctrica de una manera desordenada e impredecible. Los investigadores convirtieron estos cambios de resistencia en una señal vibrante, la muestrearon y utilizaron un truco matemático especial llamado "XOR" para mezclar las señales. ¿El resultado? Una secuencia de números que superó algunas de las pruebas de aleatoriedad más estrictas del mundo, lo que sugiere que un contenedor de bichos ondulantes podría ser, sorprendentemente, una fuente de seguridad muy difícil de predecir.

El Generador de Bicho en una Caja

Entonces, ¿cómo se convierte una caja de bichos en el mejor amigo de una computadora? Imagina que tienes un frasco lleno de cientos de diminutas y ondulantes larvas. Ahora, clava dos cables metálicos en el frasco para que toquen la masa que se retuerce. En el mundo de la electrónica, cuando estos bichos se arrastran sobre los cables, actúan como diminutos puentes móviles. A veces un bicho toca ambos cables, bajando la resistencia; otras veces se aleja, aumentando la resistencia. Debido a que los bichos están vivos y se mueven de formas que son imposibles de predecir o modelar, la resistencia eléctrica entre los cables fluctúa constantemente en un baile caótico.

Los investigadores tomaron esta señal eléctrica desordenada y la introdujeron en un circuito llamado "oscilador". Piensa en un oscilador como un metrónomo que mantiene el tiempo. Usualmente, un metrónomo marca un ritmo constante. Pero en este caso, el "metrónomo" está siendo empujado por los bichos. A medida que la resistencia cambia, la velocidad del tic-tac (la frecuencia) acelera y desacelera salvajemente. El circuito convierte estos cambios de velocidad en una señal de onda cuadrada: un patrón digital de encendido/apagado que es tan desordenado como los propios bichos.

Para obtener un número aleatorio, los investigadores simplemente "tomaron una instantánea" de esta señal a una velocidad específica. Si tomaran la instantánea demasiado rápido, podrían ver el mismo patrón una y otra vez. Pero si la muestreaban a una velocidad más lenta que el tic más rápido de la señal (específicamente, menos de 1/10 de la frecuencia de oscilación), el resultado era una cadena de 0s y 1s que parecía completamente aleatoria.

La Magia de la Mezcla (XOR)

Una de las partes más inteligentes de este diseño es cómo los investigadores manejaron el hecho de que un frasco de bichos podría no ser perfecto. Tal vez los bichos en una esquina están durmiendo, o tal vez los cables están un poco pegajosos. Para solucionar esto, no dependieron de un solo par de cables. En su configuración "extendida", utilizaron seis cables en el mismo frasco (o incluso en frascos separados) para crear seis señales diferentes.

Luego utilizaron una puerta lógica llamada "XOR" (OR exclusivo) para mezclar estas señales. Puedes pensar en el XOR como un juego de "el que no encaja" o un mezclador mágico. Si tienes dos señales que tienen un poco de sesgo (tal vez una tiene demasiados 0s y la otra tiene demasiados 1s), mezclarlas con XOR tiende a cancelar esos sesgos. Es como si tuvieras una taza de agua que está demasiado salada y una taza que está demasiado dulce; mezclarlas podría darte una bebida perfectamente equilibrada. El artículo señala que este método tiene un superpoder: incluso si una de las fuentes de bichos falla o se vuelve predecible, mientras las otras sigan "sanas" y caóticas, la mezcla final permanece segura y aleatoria. Esto hace que el sistema sea mucho más confiable que depender de una sola fuente de entropía.

¿Pasaron los Bichos la Prueba?

Los investigadores sometieron a su generador impulsado por bichos a un escrutinio con algunas de las pruebas más estrictas, incluyendo la NIST SP 800-90B y SP 800-22, que son el estándar de oro para verificar si un generador de números aleatorios es realmente aleatorio.

Esto es lo que encontraron:

• La Señal Bruta: Cuando probaron los números brutos que venían directamente de los bichos sin ningún procesamiento adicional, los resultados fueron un poco mixtos. A velocidades de muestreo más bajas (como 3 kHz o 5 kHz), los números pasaron algunas pruebas básicas pero fallaron en las más estrictas. Por ejemplo, con una frecuencia de muestreo de 111 kHz, los datos brutos fallaron las pruebas por completo.
• La Fórmula Secreta (SHA-256): El artículo sugiere que, para obtener números aleatorios verdaderamente utilizables y de alta calidad, necesitaban pasar los datos brutos por un paso de "post-procesamiento" utilizando una función hash criptográfica llamada SHA-256. Piensa en esto como un pulido final o un tamiz que elimina cualquier patrón o sesgo restante.
• El Resultado: Una vez que aplicaron SHA-256, los números se volvieron mucho más fuertes. En las pruebas, la "entropía mínima por byte" (una medida de qué tan impredecibles son los datos) saltó a 7.5 o más en varios casos, muy por encima del umbral de 6.4 necesario para ser considerado práctico para el uso en el mundo real. Incluso la tasa de muestreo de 111 kHz, que había fallado antes, pasó todas las pruebas después de este paso de pulido.

Por Qué Esto Importa

La conclusión principal de este estudio es que el movimiento caótico y colectivo de los organismos vivos es una fuente de aleatoriedad sorprendentemente robusta. A diferencia del ruido electrónico, que a veces puede ser modelado o predicho por ecuaciones de la física, el comportamiento de un enjambre de larvas es increíblemente difícil de pronosticar. El artículo sugiere que este enfoque biológico podría ser más difícil de predecir o manipular para los hackers que los métodos electrónicos tradicionales.

Sin embargo, los autores tienen cuidado de no afirmar que esto es un producto terminado listo para tu smartphone. Señalan que el sistema funciona mejor cuando se combina con un post-procesamiento criptográfico como SHA-256. También sugieren que el trabajo futuro podría analizar cómo diferentes especies de bichos o diferentes densidades de larvas podrían cambiar la calidad de la aleatoriedad. Por ahora, esta investigación ofrece un vistazo fascinante a un futuro donde nuestra seguridad digital podría estar impulsada por un frasco de gusanos ondulantes, demostrando que, a veces, las cosas más impredecibles del universo son aquellas que están vivas.