A random number generator using biological populations as entropy sources

Stel je voor dat je een slot probeert te kraken, maar de sleutel die je nodig hebt is een getal dat zo werkelijk willekeurig is dat niemand, zelfs een supercomputer niet, het ooit zou kunnen raden. Dit is de wereld van de cryptografie, waar "True Random Number Generators" (TRNG's) de bewakers zijn van onze digitale geheimen. Meestal vertrouwen deze bewakers op de trillerige, onvoorspelbare dans van elektronen in een draad of de statische ruis van een radio om hun getallen te creëren. Maar wat als we die onvoorspelbaarheid van iets levends zouden kunnen lenen? Denk aan een menigte mensen in een kamer; als je probeert te voorspellen waar elke persoon precies de volgende seconde zal stappen, is dat onmogelijk omdat iedereen beweegt om eigen redenen. Wetenschappers vragen zich al lang af of we die soort chaotische, levende beweging kunnen gebruiken om getallen te genereren die nog moeilijker te kraken zijn dan de gebruikelijke elektronische ruis.

Dit is precies wat Hiroshi Yoshida van de Kyushu Universiteit verkende in een kort rapport dat in juli 2026 werd gepubliceerd. Het artikel stelt een wilde nieuwe manier voor om willekeurige getallen te maken: door te luisteren naar de kronkelende, wiebelende bewegingen van larven. In plaats van alleen elektronische ruis te meten, plaatsten de onderzoekers een verzameling larven (zoals fenixwormen of meelwormen) in een container met metalen draden die erin steken. Terwijl de larven over de draden kruipen, veranderen ze de elektrische weerstand op een slordige, onvoorspelbare manier. De onderzoekers zetten deze veranderingen in weerstand om in een gonzendend signaal, bemonsterden dit en gebruikten een speciale wiskundige truc genaamd "XOR" om de signalen bij elkaar te mengen. Het resultaat? Een stroom getallen die enkele van de strengste tests voor willekeur ter wereld doorstond, wat suggereert dat een container met wiebelende beestjes misschien wel een verrassend moeilijk te voorspellen bron van beveiliging kan zijn.

De Bug-in-a-Box Generator

Dus, hoe wordt een bak met insecten de beste vriend van een computer? Stel je voor dat je een pot hebt gevuld met honderden kleine, kronkelende larven. Steek nu twee metalen draden in de pot zodat ze de kronkelende massa raken. In de wereld van de elektronica fungeren deze beestjes, wanneer ze over de draden kruipen, als kleine, bewegende bruggen. Soms raken een beestje beide draden aan, waardoor de weerstand daalt; soms beweegt het weg, waardoor de weerstand stijgt. Omdat de beestjes levend zijn en bewegen op manieren die onmogelijk te voorspellen of te modelleren zijn, fluctueert de elektrische weerstand tussen de draden voortdurend in een chaotische dans.

De onderzoekers namen dit slordige elektrische signaal en voedden het aan een circuit dat een "oscillator" wordt genoemd. Denk aan een oscillator als een metronoom die de tijd bijhoudt. Meestal tikt een metronoom in een constant tempo. Maar in dit geval wordt de "metronoom" geduwd door de beestjes. Naarmate de weerstand verandert, versnelt en vertraagt de snelheid van het tikken (de frequentie) wild. Het circuit zet deze snelheidsveranderingen om in een blokgolfsignaal—een digitaal aan/uit-patroon dat net zo slordig is als de beestjes zelf.

Om een willekeurig getal te krijgen, namen de onderzoekers simpelweg een "snapshot" van dit signaal op een specifieke snelheid. Als ze de snapshot te snel zouden nemen, zouden ze misschien steeds hetzelfde patroon zien. Maar als ze het bemonsterden op een snelheid die lager was dan de snelste tik van het signaal (specifiek, minder dan 1/10e van de oscillatiefrequentie), was het resultaat een reeks enen en nullen die er volkomen willekeurig uitzagen.

De Magie van het Mengen (XOR)

Een van de slimste onderdelen van dit ontwerp is hoe de onderzoekers omgingen met het feit dat één pot met beestjes misschien niet perfect is. Misschien slapen de beestjes in één hoek, of misschien zijn de draden een beetje plakkerig. Om dit op te lossen, vertrouwden ze niet alleen op één paar draden. In hun "uitgebreide" opstelling gebruikten ze zes draden in dezelfde pot (of zelfs aparte potten) om zes verschillende signalen te crekken.

Vervolgens gebruikten ze een logische poort genaamd "XOR" (Exclusive OR) om deze signalen te mengen. Je kunt XOR zien als een spel van "de uitschieter" of een magische blender. Als je twee signalen hebt die beide een beetje vertekend zijn (misschien heeft de ene te veel nullen en de andere te veel enen), dan heeft het mengen van deze signalen met XOR de neiging om die vertekeningen te elimineren. Het is alsof je een kop water hebt dat te zout is en een kop die te zoet is; het mengen ervan kan je een perfect gebalanceerde drank geven. Het artikel merkt op dat deze methode een superkracht heeft: zelfs als één van de beestjes-bronnen faalt of voorspelbaar wordt, blijft de uiteindelijke mix veilig en willekeurig, zolang de anderen nog steeds "gezond" en chaotisch zijn. Dit maakt het systeem veel betrouwbaarder dan het vertrouwen op één enkele bron van entropie.

Hebben de Beestjes de Test Doorstaan?

De onderzoekers lieten hun door insecten aangedreven generator door de mangel halen met enkele zeer strenge tests, waaronder de NIST SP 800-90B en SP 800-22, wat de gouden standaard is voor het controleren of een willekeurige getallengenerator daadwerkelijk willekeurig is.

Dit is wat ze vonden:

• Het Ruwe Signaal: Wanneer ze de ruwe getallen testten die rechtstreeks uit de beestjes kwamen zonder extra verwerking, waren de resultaten wat gemengd. Bij lagere bemonsteringssnelheden (zo zoals 3 kHz of 5 kHz) doorstonden de getallen enkele basis-tests, maar faalden ze voor de strengere tests. Bijvoorbeeld, bij een bemonsteringsfrequentie van 111 kHz faalden de ruwe gegevens de tests volledig.
• Het Geheime Recept (SHA-256): Het artikel suggereert dat om echt bruikbare, hoogwaardige willekeurige getallen te krijgen, ze de ruwe data door een stap van "nabewerking" moesten halen met behulp van een cryptografische hashfunctie genaamd SHA-256. Denk hierbij aan een laatste polijstbeurt of een zeef die de resterende patronen of vertekeningen wegwast.
• Het Resultaat: Zodra ze SHA-256 toepasten, werden de getallen veel sterker. In de tests sprong de "minimale entropie per byte" (een maatstaf voor hoe onvoorspelbaar de data is) in verschillende gevallen naar 7,5 of hoger, ruim boven de drempel van 6,4 die nodig is om als praktisch voor de echte wereld te worden beschouwd. Zelfs de lastige bemonsteringsfrequentie van 111 kHz, die eerder faalde, doorstond alle tests na deze polijststap.

Waarom Dit Er Toe Doet

De belangrijkste les uit dit onderzoek is dat de chaotische, collectieve beweging van levende organismen een verrassend robuuste bron van willekeur is. In tegen tegenstelling tot elektronische ruis, die soms gemodelleerd of voorspeld kan worden door natuurkundige vergelijkingen, is het gedrag van een zwerm larven ongelooflijk moeilijk te voorspellen. Het artikel suggereert dat deze biologische aanpak moeilijker te voorspellen of te manipuleren kan zijn voor hackers dan traditionele elektronische methoden.

De auteurs zijn echter voorzichtig met de claim dat dit een afgewerkt product is dat klaar is voor je smartphone. Ze merken op dat het systeem het beste werkt wanneer het gecombineerd wordt met cryptografische nabewerking zoals SHA-256. Ze suggereren ook dat toekomstig werk kan kijken naar hoe verschillende soorten beestjes of verschillende dichtheden van larven de kwaliteit van de willekeur kunnen veranderen. Voor nu biedt dit onderzoek een fascinerend kijkje in een toekomst waarin onze digitale beveiliging misschien wel wordt aangedreven door een pot met wiebelende wormen, wat bewijst dat soms de meest onvoorspelbare dingen in het universum de dingen zijn die leven.