Cosmic muon arrival directions as a source of entropy

물리학의 고요한 구석에는 하늘에서 떨어지는 입자들의 끊임없이 내리는 보이지 않는 비가 있습니다. 이것들은 우주 깊은 곳에서 온 고에너지 입자들이 지구 대기와 충돌할 때 탄생하는 아원자 파편인 우주 뮤온(cosmic muons)입니다. 이들은 단순한 무작위 소음이 아닙니다. 빛의 속도에 가깝게 이동하는 격렬한 우주적 사건의 잔해들입니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 입자들을 이용해 우주를 연구해 왔지만, 새로운 탐구의 선은 다른 질문을 던집니다. 단일 뮤온의 예측 불가능한 경로가 완벽한 무작위성을 만드는 데 사용될 수 있는가? 이는 엄청난 실용적 가치를 지닌 질문입니다. 디지털 세계에서 무작위성은 보안의 근간입니다. 그것은 우리의 은행 계좌를 보호하고, 통신을 안전하게 하며, 양자 역학의 기묘한 법칙을 검증하는 테스트의 기초가 됩니다. 컴퓨터는 무작위성을 흉내 낼 수는 있지만, 궁극적으로는 예측 가능한 기계입니다. 진정으로 깨뜨릴 수 없는 무작위성을 얻기 위해 과학자들은 물리적 세계로 눈을 돌려, 어떤 알고리즘도 예측할 수 없는 혼돈의 원천을 찾아야 합니다.

카르나타카 중앙 대학교(Central University of Karnataka)의 한 연구자는 이제 이러한 우주 뮤온의 도착 방향이 정확히 그러한 원천을 제공한다는 것을 입증했습니다. 거대한 중성미자 관측소 설계를 돕기 위해 제작된 검출기를 사용하여, 연구자는 6개월 동안 수백만 개의 뮤온 경로를 추적했습니다. 가스로 채워진 커다란 판들이 쌓여 있는 형태인 이 검출기는 각 입자가 통과하는 정밀한 각도를 기록했습니다. 연구자는 이 각도들이 단순히 무작위적인 것이 아니라, 디지털 비트로 변환될 수 있는 엔트로피, 즉 무질서의 풍부하고 미개척된 샘이라는 것을 발견했습니다. 데이터를 분석함으로써, 연구자는 각각의 뮤로 트랙이 최대 4비트의 고품질 무작위 정보를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 입자가 도착하는 시간뿐만 아니라 입자가 오는 방향 또한 무작위성을 생성하는 데 매우 유용하다는 것을 증명했다는 점에서 중요한 발견입니다. 기존에는 도착 시간을 사용하는 방식이 사용되어 왔습니다.

이 실험은 인도 뭄바이에 위치한 특정 설정을 기반으로 했습니다. 장치는 각각 1제곱미터 크기의 저항판 검출기(resistive plate chambers) 12개 층으로 구성된 타워였습니다. 이 챔버들은 특수 가스로 채워진 샌드위치 같은 형태의 검출기입니다. 뮤온이 가스를 가로질러 지나갈 때, 그것은 판의 안감을 두르는 구리 스트립에 전기 신호의 흔적을 남깁니다. 각 층에서 어떤 스트립이 작동했는지 확인함으로써, 연구자는 뮤온의 정확한 궤적을 재구성하여 입자가 얼마나 가파르게 내려왔는지를 나타내는 천정각(zenith angle)과 어느 방위각(azimuth angle)에서 왔는지를 계산할 수 있었습니다. 약 55일 동안 시스템은 거의 1억 3,800만 개의 이벤트를 기록했습니다. 그러나 이 모든 것이 유용한 것은 아니었습니다. 검출기는 프로토타입이었기에 일부 층에서 노이즈가 발생하거나 오작동이 있었습니다. 연구자는 전자적 글리치(glitch)처럼 보이거나 입자가 너무 많이 산란된 이벤트들을 신중하게 필터링하여, 분석할 수 있는 깨끗한 560만 개의 뮤온 트랙 세트를 확보했습니다.

데이터가 정제된 후, 연구자는 이 각도들을 숫자로 바꾸는 과제에 직면했습니다. 연구자는 가능한 각도들을 작은 빈(bin), 즉 바구니로 나누고, 뮤온이 어느 바구니에 떨어졌는지에 따라 0 또는 1을 할당했습니다. 초기에는 결과에서 약간의 불균형이 발견되었습니다. 검출기 상부에 있는 건물의 구조나 장비의 미세한 결함으로 인해 분포가 완벽하게 균등하지 않았던 것입니다. 이를 해결하기 위해 연구자는 비트를 서로 섞어 편향을 없애는 수학적 컨디셔닝(conditioning) 과정을 적용했습니다. 이 단계는 데이터를 약간 줄였지만, 최종 출력이 진정으로 무작위임을 보장했습니다. 그 결과물인 비트 스트림은 무작위성의 골드 표준인 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 엄격한 통계 테스트를 통과했습니다.

연구는 이 방법이 매우 효율적임을 보여주었습니다. 각 뮤온 트랙은 거의 1비트당 1비트의 엔트로피 값을 생성했는데, 이는 정보가 거의 완벽하게 예측 불가능함을 의미합니다. 현재의 검출기 크기로는 시스템이 초당 약 650비트의 속도로 무작위수를 생성합니다. 연구자는 이것이 한계가 아니라고 언급했습니다. 만약 2미터 x 2미터 크기의 더 큰 검출기를 만든다면, 생성 속도는 초당 약 2,500비트로 뛰어오를 수 있습니다. 또한 더 복잡한 빈닝(binning) 전략을 사용하여 각 입자로부터 더 많은 데이터를 짜내는 방법도 탐구했지만, 너무 과하게 밀어붙이면 데이터가 무작위성 테스트를 통과하지 못하는 오류가 발생한다는 것을 발견했습니다. 연구자가 찾은 최적의 지점은 품질을 저해하지 않으면서 뮤온 트랙당 4비트를 생성하는 특정 방법이었습니다.

암호학 이외에도, 이 연구는 기초 물리학 실험을 위한 문을 열어줍니다. 양자 역학을 테스트할 때 가장 큰 과제 중 하나는 '선택의 자유(freedom-of-choice)' 루프홀(loophole)입니다. 이는 실험의 설정이 측정되는 입자에 의해 비밀리에 영향을 받을 수 있는 시나리오를 말합니다. 이 루프홀을 메우기 위해 과학자들은 실험과 완전히 독립적인 무작위 소스를 사용하여 측정 설정을 선택해야 합니다. 어떤 제안들은 이를 위해 멀리 떨어진 퀘이사(quasar)의 빛을 사용할 것을 제 제안하지만, 이번 연구는 우주 뮤온이 동일한 역할을 수행할 수 있음을 시사합니다. 연구자는 두 개의 검출기를 멀리 떨어뜨려 놓았을 때, 작은 장치로는 두 검출기가 동시에 뮤온을 포착하여 선택을 내릴 확률이 매우 낮다는 것을 계산했습니다. 그러나 만약 검출기를 5미터 x 5미터 정도로 훨씬 크게 만든다면, 동시 검출 확률은 거의 절반에 육박하게 되어, 이 설정이 이러한 심오한 테스트를 위한 실행 가능한 도구가 될 수 있습니다.

이 연구 결과는 하늘 자체가 완벽한 무작위성을 생성하는 생성기라는 점에 대한 증거로서의 가치를 지닙니다. 이 작업이 무작위수 생성의 모든 문제를 해결했다고 주장하거나, 이 특정 검출기가 상업적으로 사용될 준비가 되었다고 제안하는 것은 아닙니다. 대신, 이는 명확한 전진 경로를 보여줍니다. 우주 입자의 방향이 엔트로피의 신뢰할 수 있는 원천임을 보여줌으로써, 연구자는 물리학자의 도구 상자에 새로운 도구를 추가했습니다. 이는 우리가 매일 겪는 일상적인 현상, 즉 하늘에서 떨어지는 입자의 비와 같은 것 안에도, 우리의 디지털 미래를 보호하고 우주의 가장 깊은 신비를 탐구하기 위해 활용할 수 있는 깊고 혼돈스러운 질서가 존재한다는 사실을 상기시켜 줍니다.