Perfekt geplanter Zufall: Informatiker generieren echte Zufallszahlen

Wenn es in der Forschung darum geht, das menschliche Gehirn durch künstliche Intelligenz so präzise wie möglich nachzubilden, schwingt aber auch immer der Wunsch mit, die Unwägbarkeiten der Natur in diesen Prozess miteinfließen zu lassen. Lässt sich der natürliche Zufall künstlich generieren? Einer Gruppe von Forschern scheint dies nun gelungen zu sein.

Wenn perfekte Gehirne den Zufall erschaffen

Der Zufall ist eine komplexe Angelegenheit. Die scheinbar völlig willkürlichen Muster und Gegebenheiten, die dem Zufall zugrunde liegen, faszinieren Wissenschaftler seit vielen Jahren. Die Frage, wie zufällige Ereignisse entstehen und was sie beeinflusst, steht dabei ebenso im Fokus des Interesses wie die Möglichkeit, sich den Zufall zunutze zu machen.

Seit Jahrzehnten arbeiten Forscher aus Mathematik und Informatik daran, den Zufall mithilfe künstlicher Intelligenz nachzuempfinden. Trotz komplexer Algorithmen, die auf dem Zufallsprinzip basierende Kryptoverfahren anstoßen, ist es bislang nicht gelungen, mit dem Computer Ergebnisse zu generieren, die in letzter Konsequenz nicht vorhersagbar sind. Nun haben Forscher der University of Texas bekannt gegeben, dass ihnen im Bereich der Zufallsforschung ein Durchbruch gelungen ist.

Was im Alltag beispielsweise durch einfaches Würfeln oder das Werfen einer Münze mühelos zu generieren ist, stellte für die Informatik bislang ein großes Problem dar. Jeder Algorithmus, so komplex und perfekt er auch beschaffen sein mag, folgt einem festen Programm und kann deshalb keinen echten Zufall erschaffen. Nach 20 Jahren intensiver Forschung hat der Informatik-Professor David Zuckerman gemeinsam mit seinem Studenten Eshan Chattopadhyay ein neues Verfahren entwickelt, das eigenen Angaben zufolge echte Zufallszahlen am Computer generieren kann – und das mit einem relativ geringen Aufwand.

Bereits im Juli präsentierte das Forscherteam seine Ergebnisse Fachleuten und hat inzwischen Bestätigung erfahren. Das Verfahren ist die Fortsetzung bereits angewandter Methoden, die ein zufälliges Ergebnis mithilfe einer Pseudo-Zufallszahl, eines so genannten Pseudo-Random Number Generators (PRNG), erzeugen. Für Zuckermans Verfahren werden zwei verschiedene Generatoren für Pseudo-Zufallszahlen kombiniert und errechnen eine Abfolge von Zahlen, die nach mathematischen Gesichtspunkten als echte Zufallszahlen bezeichnet werden können. Die Überprüfung des Verfahrens hat hervorgebracht, dass durch die Kombination zweier PRNG eine Vorhersage der generierten Zahlen praktisch unmöglich ist.

Das Verfahren soll in Zukunft eingesetzt werden, um verlässlichere Sicherheits- und Verschlüsselungssysteme zu entwickeln und den mathematisch erschaffenen Zufall besser ausschöpfen zu können.

Warum ein gut geplanter Zufall so wichtig ist

Im menschlichen Alltag kann der Zufall an vielen Stellen nützlich sein. So ist er zum Beispiel wichtig, wenn es darum geht, durch zufällige Zahlen Sicherheitsmechanismen und Verschlüsselungen zu generieren. Zufällig generierte Passwörter schützen sensible Daten im Internet. Und nicht zuletzt sorgt das Zufallsprinzip dafür, dass es in vielen Lebensbereichen gerecht zugeht, zum Beispiel in Losverfahren und Spielalgorithmen. Tatsächlich ist es vor allem die Unterhaltungs- und Gaming-Branche, in der der Zufall zu Hause ist. Damit Spiele Spaß machen, spannend sind und alle Teilnehmer einen gleichberechtigten Zugang zu Sieg oder Niederlage haben, ist das Zufallsprinzip unerlässlich.

Die Wiege des Zufalls ist das Glücksspiel. Glücksspiele gehören beinahe seit Anbeginn der Menschheit zum gesellschaftlichen Leben. Die Varianten wurden immer komplexer und sind in der modernen Neuzeit zunehmend auch automatisiert worden. Mit dem Aufkommen von Glücksspielautomaten wurde das Thema künstlich generierter Zufall bedeutender. Heute bauen moderne Online Casinos auf das Prinzip der so genannten Random Number Generator (RNG). Seriöse Anbieter zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass sie für ihre Spiele hoch komplexe Algorithmen verwenden, die in der Lage sind, ein faires Zufallsprinzip zu generieren. Zu den Vorreitern im Hinblick auf seriöse Spielmechanismen gehören die neue Online Casinos der Schweiz, die auf modernste Technologien und neue Errungenschaften aus dem Bereich der Zufallsgeneratoren setzen.

Ein ständiger Begleiter ist der Zufall aber auch in Computerspielen, in denen Spieler gegeneinander oder gegen die KI des Computers antreten. Die so genannten Matchmaker, die einzelne Spieler oder ganze Gruppen gegeneinander ins Feld schicken, basieren auf Zufallsalgorithmen, die zwar bestimme Parameter wie zum Beispiel die Entwicklungsstufe eines Spielers berücksichtigen, ansonsten aber eine zufällige Auswahl treffen. Ähnliche Mechanismen spielen auch eine Rolle, wenn in Computerspielen Beute zugeteilt wird. Sei es nach einem gewonnen Kampf oder auf einer Erkundungsmission, immer gibt es für Spieler die eine oder andere Belohnung abzugreifen, die in vielen Fällen nach Zufallsalgorithmen zugewiesen wird.

Ein gut geplanter Zufall lässt die Unwägbarkeit entstehen, die für ein spannendes Spielerlebnis erforderlich ist und macht es gleichzeitig unmöglich, gewisse Ereignisse vorauszusagen und damit zu manipulieren. Aus diesem Grund sind zufällig generierte Zahlen auch die Basis sicherer Kryptoverfahren, die die Basis moderner Sicherheitssysteme bilden und sensible Informationen im digitalen Bereich schützen.

So komplex ist die Erschaffung echter Zufälle

Der Wunsch, den Zufall bewusst zu erschaffen, scheint paradox, denn es ist gerade die Unvorhersagbarkeit, die das Zufallsprinzip prägt. Trotzdem versuchen Mathematiker und Informatiker seit Jahren, Zufälle künstlich zu erschaffen. Gelingen soll dies mithilfe von Algorithmen, die ein Zufallsprinzip rechnerisch simulieren und so ein nicht vorhersagbares Ergebnis generieren.

Herzstück künstlich generierter Zufallszahlen ist die Kombination aus einer großen Menge natürlicher Zahlen und komplexen, programmierten Algorithmen, die aus diesen Zahlen zufällig eine auswählen. Wichtig ist dabei, dass nicht festgelegt sein darf, wie häufig jede einzelne Zahl vorkommen kann, und dass keinerlei Korrelation zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zahlen besteht. Jede einzelne Zahl sollte in etwa gleich häufig vorkommen können, ohne dies jedoch mathematisch herbeizuführen. Die absolute Unabhängigkeit von anderen Zahlen, die ebenfalls durch den Algorithmus zufällig generiert wurden, ist das Kernproblem, mit dem sich die Forschung beschäftigt.

Die Wissenschaft unterscheidet zwischen so genannten Pseudozufallszahlen, die mithilfe eines mathematischen Algorithmus errechnet und generiert werden, und echten Zufallszahlen, die von einem Computer durch die Messung physikalischer Phänomene in seinem Umfeld und der darauf basierenden Generierung einer Entropie erzeugt werden. Besonders häufig wird als Entropiequelle eine menschliche Interaktion mit dem Computer genutzt, zum Beispiel das Betätigen einzelner Taten auf der Tastatur oder erzeugte Mausklicks.

Pseudozufallszahlen, die mithilfe einer Software generiert werden, beziehen keine Entropiequelle mit ein. Sie nutzen eine Startzahl und einen programmierten Algorithmus, um zufällig erscheinende Zahlen zu generieren. Diese sind allerdings aufgrund des genutzten Algorithmus letzten Endes keine echten Zufallszahlen, sondern vorhersehbar.

Der Zufall ist ein Phänomen, das die Menschheit seit jeher beschäftigt. Wenn es gerecht zugehen soll, kann nur das Zufallsprinzip helfen. Echten Zufall gibt es nur, wenn nichts vorhersehbar oder gar beeinflussbar ist. Künstliche Intelligenz und wissenschaftliche Fachgebiete wie Mathematik und Informatik scheinen mit diesem Prinzip nicht vereinbar zu sein. Vielleicht strebt die Forschung gerade deshalb so sehr danach, den Zufall bewusst herbeiführen zu können.

lic/news.de