Hvirvlende væsker fungerer på samme måde som bitcoin

Væskedynamik er ikke noget, man typisk tænker på, når man tænker på bitcoin. Men for en Stanford-fysiker, forbindelsen er lige så enkel som at røre din kaffe.

I en undersøgelse offentliggjort 23. april i Proceedings of the National Academy of Sciences , Stanford anvendt fysik doktorand William Gilpin beskrev, hvordan hvirvlende væsker, såsom kaffe, følge de samme principper som transaktioner med kryptovalutaer såsom bitcoin. Denne parallel mellem de matematiske funktioner, der styrer kryptovalutaer og naturlige, fysiske processer kan hjælpe med at udvikle mere avanceret digital sikkerhed og til at forstå fysiske processer i naturen.

"At have en faktisk fysisk model og vise, at dette er en naturligt forekommende proces, kan åbne op for nye måder at tænke på disse funktioner, " sagde Gilpin.

Håndgribelige transformationer

Kryptovalutaer som bitcoin fungerer med vilje på mystiske måder. Som en virtuel valuta, det er ikke beskyttet eller kontrolleret af nogen central gruppe. I stedet, kryptovalutaer udveksler og sikrer information gennem en matematisk funktion kaldet en kryptografisk hash - en moderne arbejdshest til cybersikkerhed. Disse funktioner transformerer matematisk digital information til et unikt output, der skjuler inputtet.

Hash-funktioner er bevidst designet til at være komplekse, men de forbliver også konsistente, så det samme input altid producerer det samme output. Imidlertid, to ens input vil sandsynligvis producere meget forskellige output. Disse funktioner gør det nemt for computere at spore kryptovalutaer, men svært for hackere at gøre det samme.

Som fysiker, Gilpin sagde, at han så ligheder mellem den måde, hash-funktioner fungerer på, og de fysiske love, der er involveret i at omrøre en væske. "Jeg regnede med, at der nok er en analogi der, som var værd at undersøge, " sagde han. Og, med et par uger fri i en vinterferie besluttede han at udforske sin idé.

Gilpin fokuserede på et princip kaldet kaotisk blanding, som beskriver virkningen af ​​at blande en væske. Forestil dig, at du rører kaffeflødekanden i et krus sort kaffe og ser flødekanden adskilles i et hvirvlende mønster. Hvis flødekanden blev omrørt på nøjagtig samme måde i fremtiden, det samme mønster ville resultere. Men selv den mindste ændring i skeens placering eller rørehastigheden resulterer i et helt andet mønster. Med andre ord, hver første omrøring producerer en unik hvirvelsignatur.

Derudover bare at se på det resulterende mønster af flødekanden i kaffen afslører ikke noget om den oprindelige handling - hvor skeen var, hvor hurtigt det bevægede sig, eller hvor mange cirkler - svarende til den måde en hash-funktion transformerer information på, så input er umuligt at identificere.

Gilpin besluttede at afprøve eksemplet med kaotisk blanding af væsker som en hash-funktion. Han fandt ud af, at ligningerne involveret i at blande en væske passede næsten perfekt til kravene til hashfunktioner. "Jeg havde ikke forventet, at det ville fungere så godt, " sagde han. "Da det så ud som om det opfyldte alle egenskaber ved en hash-funktion, begyndte jeg at blive rigtig begejstret. Det tyder på, at der er noget mere grundlæggende i gang med, hvordan kaotisk matematik opfører sig."

Uden for kassen

Moderne hashfunktioner er et igangværende forskningsområde, da kryptovalutaer og lignende applikationer såsom digitale signaturer bliver mere og mere almindelige for kreditkorttransaktioner og juridiske dokumenter. Gilpin har mistanke om, at parallellen mellem datalogi og anvendt fysik kan hjælpe med at skabe endnu mere sikre måder at beskytte digital information på.

Denne forbindelse kan også hjælpe med at validere præcise procedurer, såsom dem, der bruges til lægemiddeludvikling, sagde Gilpin. Visse lægemiddeludviklingsmetoder kræver indsprøjtning af forskellige væsker på bestemte tidspunkter, svarende til den måde en hashfunktion udfører en præcis rækkefølge af ligninger. "Hvis du ikke danner det rigtige arrangement, når du er færdig, så ved du, at en af ​​dine processer ikke gik rigtigt, " sagde han. "Den kaotiske egenskab sikrer, at du ikke ved et uheld får et endeligt produkt, der ser korrekt ud."

Opdagelsen tyder også på, at kryptografisk, formentlig er menneskeskabte beregninger ikke unikke for den digitale verden. "Noget så almindeligt som en væske udfører stadig beregninger, " sagde Gilpin. "Det er ikke noget, kun mennesker fortæller computere at gøre. Det er noget, naturen gør, og det viser sig i strukturen af, hvordan tingene dannes."

Gilpin er ikke selv datalog eller lægemiddeludvikler. Når han ikke forbinder det digitale og det fysiske felt, han studerer måden væsker fungerer på i naturen med Manu Prakash, en adjunkt i bioteknik. Så for ham, "tanken om, at vi kan begynde at bruge nogle af disse ideer fra datalogi, er ret spændende."