A random number generator using biological populations as entropy sources

कल्पना कीजिए कि आप एक ताला खोलने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन जिस चाबी की आपको आवश्यकता है वह इतनी वास्तव में यादृच्छिक (random) है कि कोई भी, यहाँ तक कि एक सुपरकंप्यूटर भी, कभी उसका अनुमान नहीं लगा सकता। यह क्रिप्टोग्राफी की दुनिया है, जहाँ "ट्रू रैंडम नंबर जनरेटर्स" (TRNGs) हमारे डिजिटल रहस्यों के संरक्षक हैं। आमतौर पर, ये संरक्षक अपने नंबर बनाने के लिए एक तार में इलेक्ट्रॉनों के डगमगाते, अप्रत्याशित नृत्य या रेडियो के स्टैटिक शोर (static hiss) पर निर्भर करते हैं। लेकिन क्या होगा यदि हम उस अनिश्चितता को किसी जीवित चीज़ से उधार ले सकें? एक कमरे में लोगों की भीड़ के बारे में सोचें; यदि आप यह अनुमान लगाने की कोशिश करते हैं कि हर व्यक्ति अगले सेकंड में बिल्कुल कहाँ कदम रखेगा, तो यह असंभव है क्योंकि हर कोई अपने स्वयं के कारणों से चल रहा है। वैज्ञानिक लंबे समय से सोचते आए हैं कि क्या हम उस तरह की अराजक, जीवित गति का उपयोग करके ऐसे नंबर बना सकते हैं जो सामान्य इलेक्ट्रॉनिक शोर की तुलना में और भी अधिक कठिन हों।

यही वह चीज़ है जिसे क्यूशू यूनिवर्सिटी के हिरोशी योशिदा ने जुलाई 2026 में प्रकाशित एक संक्षिप्त रिपोर्ट में खोजा। यह शोध पत्र यादृच्छिक नंबर बनाने का एक अनोखा नया तरीका प्रस्तावित करता है: कीटों के लार्वा (larvae) की छटपटाहट और लहराती गतिविधियों को सुनकर। केवल इलेक्ट्रॉनिक शोर को मापने के बजाय, शोधकर्ताओं ने लार्वा (जैसे फीनिक्स वर्म्स या मीलवर्म्स) को धातु के तारों के साथ एक कंटेनर में रखा जो उनके अंदर धँसे हुए थे। जैसे-जैसे लार्वा तारों के ऊपर रेंगते हैं, वे विद्युत प्रतिरोध (electrical resistance) को एक अव्यवस्थित और अप्रत्याशित तरीके से बदलते हैं। शोधकर्ताओं ने इन प्रतिरोध परिवर्तनों को एक गूँजते हुए सिग्नल में बदल दिया, उसे सैंपल किया, और संकेतों को मिलाने के लिए "XOR" नामक एक विशेष गणितीय ट्रिक का उपयोग किया। परिणाम? नंबरों की एक ऐसी धारा जो दुनिया के सबसे सख्त रैंडमनेस परीक्षणों में से कुछ को पास कर गई, जिससे पता चलता है कि कीड़ों से भरा एक डिब्बा सुरक्षा के लिए आश्चर्यजनक रूप से कठिन स्रोत हो सकता है।

द बग-इन-ए-बॉक्स जनरेटर

तो, कीड़ों का एक डिब्बा कंप्यूटर का सबसे अच्छा दोस्त कैसे बन जाता है? कल्पना कीजिए कि आपके पास सैकड़ों छोटे, रेंगते हुए लार्वा से भरा एक जार है। अब, दो धातु के तारों को जार में डालें ताकि वे उस छटपटाते द्रव्यमान को छू रहे हों। इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, जब ये कीड़े तारों के ऊपर रेंगते हैं, तो वे छोटे, चलते-फिरते पुलों की तरह कार्य करते हैं। कभी कोई कीड़ा दोनों तारों को छूता है, जिससे प्रतिरोध कम हो जाता है; कभी वह दूर हट जाता है, जिससे प्रतिरोध बढ़ जाता है। क्योंकि कीड़े जीवित हैं और ऐसी दिशाओं में घूम रहे हैं जिन्हें अनुमान लगाना या मॉडल करना असंभव है, इसलिए तारों के बीच का विद्युत प्रतिरोध एक अराजक नृत्य की तरह लगातार उतार-चढ़ाव करता रहता है।

शोधकर्ताओं ने इस अव्यवस्थित विद्युत सिग्नल को लिया और इसे एक "ऑसिलेटर" (oscillator) नामक सर्किट में डाला। एक ऑसिलेटर को एक मेट्रोनोम की तरह समझें जो समय बनाए रखता है। आमतौर पर, एक मेट्रोनोम एक स्थिर दर पर टिक-टिक करता है। लेकिन इस मामले में, "मेट्रोनोम" को कीड़ों द्वारा धकेला जा रहा है। जैसे-जैसे प्रतिरोध बदलता है, टिक-टिक करने की गति (आवृत्ति/frequency) बेतहाशा तेज और धीमी होती जाती है। सर्किट इन गति परिवर्तनों को एक स्क्वायर-वेव सिग्नल में बदल देता है—एक डिजिटल ऑन/ऑफ पैटर्न जो कीड़ों की तरह ही अव्यवस्थित है।

एक यादृच्छिक नंबर प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने बस एक विशिष्ट गति पर इस सिग्नल का "स्नैपशॉट" लिया। यदि वे स्नैपशॉट बहुत तेज़ी से लेते, तो वे शायद एक ही पैटर्न को बार-बार देखते। लेकिन यदि उन्होंने सिग्नल की सबसे तेज़ टिक (विशेष रूप से, ऑसिलेशन फ्रीक्वेंसी के 1/10 से कम) से धीमी गति से सैंपल लिया, तो परिणाम 0 और 1 की एक ऐसी स्ट्रिंग थी जो पूरी तरह से रैंडम दिख रही थी।

मिलाने का जादू (XOR)

इस डिज़ाइन का सबसे स्मार्ट हिस्सा यह है कि शोधकर्ताओं ने इस तथ्य को कैसे संभाला कि कीड़ों का एक जार शायद पूर्ण न हो। हो सकता है कि एक कोने में के कीड़े सो रहे हों, या शायद तार थोड़े चिपचिपे हों। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने केवल एक जोड़ी तारों पर भरोसा नहीं किया। अपने "विस्तारित" सेटअप में, उन्होंने एक ही जार में (या अलग-अलग जारों में) छह तारों का उपयोग किया ताकि छह अलग-अलग सिग्नल बनाए जा सकें।

इसके बाद उन्होंने "XOR" (एक्सक्लूसिव ओर) नामक एक लॉजिक गेट का उपयोग करके इन सिग्नलों को मिलाया। आप XOR को "विषम एक" (odd one out) के खेल या एक जादुई ब्लेंडर की तरह समझ सकते हैं। यदि आपके पास दो सिग्नल हैं जो थोड़े से पक्षपाती (biased) हैं (शायद एक में बहुत अधिक 0 हैं और दूसरे में बहुत अधिक 1 हैं), तो XOR के साथ उन्हें मिलाने से वे पक्षपात रद्द हो जाते हैं। यह ऐसा है जैसे यदि आपके पास एक कप पानी है जो बहुत नमकीन है और दूसरा कप बहुत मीठा है; उन्हें मिलाने से आपको एक संतुलित पेय मिल सकता है। पेपर नोट करता है कि इस पद्धति के पास एक महाशक्ति है: भले ही एक कीड़ा-स्रोत विफल हो जाए या अनुमान लगाने योग्य हो जाए, जब तक अन्य "स्वस्थ" और अराजक हैं, अंतिम मिश्रण सुरक्षित और रैंडम बना रहता है। यह इसे एकल स्रोत की तुलना में बहुत अधिक विश्वसनीय बनाता है।

क्या कीड़े पास हुए?

शोधकर्ताओं ने अपने कीड़ा-संचालित जनरेटर को NIST SP 800-90B और SP 800-22 जैसे बहुत सख्त परीक्षणों के माध्यम से परखा, जो यह जाँचने के लिए गोल्ड स्टैंडर्ड हैं कि क्या एक रैंडम नंबर जनरेटर वास्तव में रैंडम है।

यहाँ उन्हें क्या मिला:

• रॉ सिग्नल (The Raw Signal): जब उन्होंने बिना किसी अतिरिक्त प्रोसेसिंग के सीधे कीड़ों से आने वाले रैंडम नंबरों का परीक्षण किया, तो परिणाम मिले-जुले थे। कम सैंपलिंग स्पीड (जैसे 3 kHz या 5 kHz) पर, नंबरों ने कुछ बुनियादी परीक्षणों को पास किया लेकिन सख्त परीक्षणों में विफल रहे। उदाहरण के लिए, 111 kHz की सैंपलिंग फ्रीक्वेंसी पर, रॉ डेटा परीक्षणों में पूरी तरह विफल रहा।
• सीक्रेट सॉस (SHA-25х): पेपर सुझाव देता है कि वास्तव में उपयोग करने योग्य, उच्च-गुणवत्ता वाले रैंडम नंबर प्राप्त करने के लिए, उन्हें SHA-256 नामक एक क्रिप्टोग्राफिक हैश फंक्शन का उपयोग करके "पोस्ट-प्रोसेसिंग" चरण से गुजरना आवश्यक था। इसे एक अंतिम पॉलिश या छलनी की तरह समझें जो किसी भी बचे हुए पैटर्न या पक्षपात को साफ कर देती है।
• परिणाम: एक बार जब उन्होंने SHA-256 लागू किया, तो नंबर बहुत मजबूत हो गए। परीक्षणों में, "प्रति बाइट न्यूनतम एंट्रॉपी" (डेटा कितना अप्रत्याशित है इसका एक माप) कई मामलों में 7.5 या उससे अधिक हो गई, जो वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए आवश्यक 6.4 की सीमा से काफी ऊपर है। यहाँ तक कि 111 kHz की कठिन सैंपलिंग दर भी, जो पहले विफल हो गई थी, इस पॉलिशिंग स्टेप के बाद सभी परीक्षणों में पास हो गई।

यह क्यों मायने रखता है

इस अध्ययन का मुख्य निष्कर्ष यह है कि जीवित जीवों की अराजक, सामूहिक गति एक आश्चर्यजनक रूप से मजबूत रैंडमनेस का स्रोत है। इलेक्ट्रॉनिक शोर के विपरीत, जिसे भौतिकी के समीकरणों द्वारा मॉडल या अनुमानित किया जा सकता है, लार्वा के झुंड का व्यवहार पूर्वानुमान लगाना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। पेपर सुझाव देता है कि यह जैविक दृष्टिकोण पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक तरीकों की तुलना में हैकर्स के लिए अनुमान लगाने या हेरफेर करने में अधिक कठिन हो सकता है।

हालाँकि, लेखक सावधान हैं कि वे यह दावा नहीं कर रहे हैं कि यह आपके स्मार्टफोन के लिए तैयार एक अंतिम उत्पाद है। वे नोट करते हैं कि यह सिस्टम तब सबसे अच्छा काम करता है जब इसे SHA-256 जैसे क्रिप्टोग्राफिक पोस्ट-प्रोसेसिंग के साथ जोड़ा जाता है। वे यह भी सुझाव देते हैं कि भविष्य के काम में यह देखा जा सकता है कि कीड़ों की विभिन्न प्रजातियां या लार्वा का घनत्व रैंडमनेस की गुणवत्ता को कैसे बदल सकता है। फिलहाल, यह शोध एक दिलचस्प झलक पेश करता है कि हमारा डिजिटल सुरक्षा भविष्य में केवल हिलते हुए कीड़ों के एक जार द्वारा संचालित हो सकती है, जो यह साबित करता है कि कभी-कभी, ब्रह्मांड में सबसे अप्रत्याशित चीजें वही होती हैं जो जीवित हैं।