A random number generator using biological populations as entropy sources

鍵穴を開けようとしている場面を想像してみてください。しかし、あなたが必要としている鍵は、スーパーコンピュータでさえ決して推測できないほど真にランダムな数字です。これが暗号の世界であり、「真の乱数生成器（TRNG）」は私たちのデジタルな秘密を守る守護者です。通常、これらの守護者は、電線の電子の震える予測不可能なダンスや、ラジオの静電気のノイズに頼って数字を作り出します。しかし、もしその予測不可能性を、生き物のものから借りることができたらどうでしょう？部屋の中にいる人々の群衆を想像してみてください。もし、全員がそれぞれの理由で動いているため、次に一秒後に全員がどこへ足を踏み出すかを正確に予測しようとしても、それは不可能です。科学者たちは、そのような混沌とした生命の動きを利用して、通常の電子ノイズよりもさらに解読が困難な数字を生成できるのではないかと、長い間考えてきました。

これは、まさに九州大学の吉田浩氏が2026年7月に発表した短いレポートで探求した内容です。この論文は、新しい方法で乱数を作るという奇抜な手法を提案しています。それは、昆虫の幼虫のうごめきや、くねくねとした動きを聞くことです。単に電子ノイズを測定する代わりに、研究者たちは（フェニックスワームやミルワームのような）幼虫の集まりを、金属線が突き刺さった容器に入れました。幼虫がワイヤーの上を這うと、電気抵抗が乱雑で予測不可能な方法で変化します。研究者たちはこの抵抗の変化をバズる信号へと変え、それをサンプリングし、「XOR」と呼ばれる特別な数学的トリックを使って信号を混ぜ合わせました。その結果はどうだったでしょうか？得られたのは、世界で最も厳しいランダム性テストのいくつかをパスした数字のストリームであり、これは、うごめく虫が入った容器が、驚くほど予測困難なセキュリティの源になり得ることを示唆しています。

虫入りの箱ジェネレーター

では、虫の入った箱がどのようにコンピュータの親友となるのでしょうか？数百匹の小さな、うごめく幼虫が入った瓶があると想像してください。さて、その瓶に2本の金属線を突き刺し、うごめく塊に触れるようにします。電子の世界では、これらの虫がワイヤーの上を這うとき、彼らは小さな「動く橋」として機能します。時には虫が両方のワイヤーに触れて抵抗を下げ、時には離れて抵抗を上げます。虫たちは生き物であり、予測やモデル化が不可能な方法で動いているため、ワイヤー間の電気抵抗は混沌としたダンスのように絶えず変動しています。

研究者たちは、この乱れた電気信号を取り出し、「オシレーター（発振器）」と呼ばれる回路に送り込みました。オシレーターを、リズムを刻むメトロノームのようなものだと考えてください。通常、メトロノームは一定の速度で刻みます。しかし、この場合、「メトロノーム」は虫によって押し動かされています。抵抗が変化するにつれて、刻む速度（周波数）は激しく速まったり遅くなったりします。回路はこの速度の変化を、虫たちと同じくらい乱れたデジタルなオン／オフのパターンである「矩形波（スクエアウェーブ）」信号へと変換します。

乱数を得るために、研究者たちは特定の速度でこの信号の「スナップショット」を撮りました。もしスナップショットを撮るのが速すぎると、同じパターンを何度も繰り返してしまうかもしれません。しかし、もし信号の最も速い刻みよりも遅い速度（具体的には、発振周波数の10分の1未満）でサンプリングすれば、その結果は完全にランダムに見える0と1の文字列となりました。

混合（XOR）の魔法

この設計の最も賢い部分の一つは、研究者が「一つの虫の瓶では完璧ではないかもしれない」という事実をどのように処理したかです。例えば、ある角にいる虫たちは眠っているかもしれませんし、あるいはワイヤーが少し粘着しているかもしれません。これを解決するために、彼らは単一のペアのワイヤーだけに頼りませんでした。「拡張」されたセットアップでは、同じ瓶の中、あるいは別の瓶を使って6本のワ線を使い、6つの異なる信号を作り出しました。

そして、彼らは「XOR（排他的論理和）」と呼ばれる論理ゲートを使用して、これらの信号を混ぜ合わせました。XORを、「仲間外れ探し」のゲームや魔法のブレンダーのようなものだと考えてください。もし、2つの信号がどちらも少し偏っている（例えば、一方は0が多く、もう一方は1が多い）場合、それらをXORで混ぜ合わせると、それらの偏りは相殺される傾向があります。それは、塩辛すぎる水と甘すぎる水のカップを混ぜ合わせれば、完璧にバランスの取れた飲み物になるようなものです。論文では、この方法には強力な力があることが記されています。たとえ一つの虫によるソースが故障したり予測可能になったりしても、他のソースが依然として「健康的」で混沌としていれば、最終的な混合物は安全でランダムなままです。これにより、システムは単一のエントロピー源に頼るよりもはるかに信頼性が高くなります。

虫たちはテストに合格したか？

研究者たちは、自らの虫駆動型ジェネレーターを、ランダム数生成器が実際にランダムであるかどうかを確認するためのゴールドスタンダードであるNIST SP 800-90BおよびSP 800-22を含む、非常に厳格なテストにかけました。

結果は以下の通りです：

• 生の信号（Raw Signal）: 追加の処理を行わずに、虫から直接出てきた生の数字をテストしたところ、結果はやや混在していました。低いサンプリング速度（3 kHzや5 kHzなど）では、数字は基本的なテストには合格しましたが、より厳しいテストには失敗しました。例えば、サンプリング周波数が111 kHzの場合、生のデータはテストに完全に失敗しました。
• 秘伝のソース（SHA-256）: 論文は、真に利用可能な高品質の乱数を得るためには、「SHA-256」と呼ばれる暗号学的ハッシュ関数を用いた「後処理（ポストプロセッシング）」ステップを実行する必要があると示唆しています。これは、最終的な磨き上げ、あるいは残ったパターンや偏りを洗い流すためのふるいのようなものだと考えてください。
• 結果: 一度SHA-256を適用すると、数字ははるかに強力になりました。テストにおいて、「バイトあたりの最小エントロピー」（データの予測不可能性の尺度）は、いくつかのケースで7.5以上に跳ね上がり、実用的な使用に必要とされる6.4の閾値を大きく上回りました。以前は失敗したトリッキーな111 kHzのサンプリングレートでさえ、この磨き上げのステップを経た後は、すべてのテストに合格しました。

なぜこれが重要なのか

この研究の主な教訓は、生き物の集団的な動きが、驚くほど堅牢なランダミティ（無作為性）の源であるということです。物理方程式によってモデル化されたり予測されたりすることがある電子ノイズとは異なり、幼虫の群れの行動を予測することは極めて困難です。論文は、この生物学的なアプローチが、従来の電子的な方法よりもハッカーにとって予測や操作が難しい可能性があることを示唆しています。

しかし、著者たちは、これがスマートフォンにすぐに搭載できる完成した製品であると主張しているわけではない、と注意深く述べています。彼らは、このシステムはSHA-256のような暗号学的後処理と組み合わせたときに最も効果を発揮すると指摘しています。また、今後の研究では、異なる種類の虫や異なる密度の幼虫が、ランダミティの質をどのように変えるかを探ることもできるだろうと示唆しています。現時点では、この研究は、私たちのデジタルのセキュリティが、時に、最も予測不可能なものは生きているものであることを証明するように、うごめく虫の入った瓶によって支えられるかもしれないという、魅力的な未来への一瞥を与えてくれます。