Vloeistofdynamiek is niet iets dat typisch in je opkomt als je aan bitcoin denkt. Maar voor een natuurkundige uit Stanford, de aansluiting is zo simpel als het roeren van je koffie.

In een studie gepubliceerd op 23 april in Proceedings van de National Academy of Sciences , De doctoraatsstudent William Gilpin van Stanford toegepaste natuurkunde beschreef hoe wervelende vloeistoffen, zoals koffie, volg dezelfde principes als transacties met cryptocurrencies zoals bitcoin. Deze parallel tussen de wiskundige functies die cryptocurrencies beheersen en natuurlijke, fysieke processen kunnen helpen bij het ontwikkelen van meer geavanceerde digitale beveiliging en bij het begrijpen van fysieke processen in de natuur.

"Het hebben van een echt fysiek model en laten zien dat dit een natuurlijk proces is, zou nieuwe manieren kunnen openen om over die functies na te denken, ' zei Gilpin.

Tastbare transformaties

Cryptocurrencies zoals bitcoin werken expres op mysterieuze manieren. Als virtuele valuta, het wordt niet beschermd of gecontroleerd door een centrale groep. In plaats daarvan, cryptocurrencies wisselen informatie uit en beveiligen deze via een wiskundige functie die cryptografische hash wordt genoemd - een modern werkpaard voor cyberbeveiliging. Deze functies transformeren wiskundig digitale informatie in een unieke output die de input verhult.

Hash-functies zijn opzettelijk ontworpen om complex te zijn, maar ze blijven ook consistent, zodat dezelfde input altijd dezelfde output produceert. Echter, twee vergelijkbare inputs zullen waarschijnlijk zeer verschillende outputs produceren. Deze functies maken het gemakkelijk voor computers om cryptocurrencies te volgen, maar moeilijk voor hackers om hetzelfde te doen.

Als fysicus, Gilpin zei dat hij overeenkomsten zag tussen de manier waarop hasjfuncties werken en de fysieke wetten die betrokken zijn bij het roeren van een vloeistof. "Ik dacht dat er waarschijnlijk een analogie was die het onderzoeken waard was, "zei hij. En, met een paar weken vrij tijdens een winterstop besloot hij zijn idee te onderzoeken.

Gilpin concentreerde zich op een principe genaamd chaotisch mengen, die de werking van het mengen van een vloeistof beschrijft. Stel je voor dat je koffiecreamer in een mok zwarte koffie roert en de creamer ziet scheiden in een wervelend patroon. Als de creamer in de toekomst op precies dezelfde manier wordt geroerd, hetzelfde patroon zou ontstaan. Maar zelfs de kleinste verandering in de locatie van de lepel of de snelheid van het roeren resulteert in een heel ander patroon. Met andere woorden, elke eerste keer roeren produceert een unieke swirl-signatuur.

Aanvullend, alleen al kijken naar het resulterende patroon van de creamer in de koffie onthult niets over de oorspronkelijke actie - waar de lepel was, hoe snel het bewoog, of hoeveel cirkels - vergelijkbaar met de manier waarop een hashfunctie informatie transformeert zodat de invoer onmogelijk te identificeren is.

Gilpin besloot het voorbeeld van chaotisch mengen van vloeistoffen als hashfunctie uit te proberen. Hij ontdekte dat de vergelijkingen voor het mengen van een vloeistof bijna perfect voldeden aan de vereisten voor hashfuncties. "Ik had niet verwacht dat het zo goed zou presteren, " zei hij. "Toen het leek alsof het aan elke eigenschap van een hash-functie voldeed, begon ik echt opgewonden te raken. Het suggereert dat er iets fundamentelers aan de hand is met hoe chaotische wiskunde werkt."

Buiten de doos

Moderne hashfuncties zijn een voortdurend onderzoeksgebied, aangezien cryptocurrencies en soortgelijke toepassingen zoals digitale handtekeningen steeds gebruikelijker worden voor creditcardtransacties en juridische documenten. Gilpin vermoedt dat de parallel tussen de vakgebieden informatica en toegepaste natuurkunde kan helpen bij het creëren van nog veiligere manieren om digitale informatie te beschermen.

Deze verbinding kan ook helpen bij het valideren van nauwkeurige procedures, zoals die worden gebruikt bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, zei Gilpin. Bepaalde methoden voor de ontwikkeling van geneesmiddelen vereisen het injecteren van verschillende vloeistoffen op specifieke tijdstippen, vergelijkbaar met de manier waarop een hashfunctie een precieze volgorde van vergelijkingen uitvoert. "Als je niet de juiste afspraak maakt als je klaar bent, dan weet je dat een van je processen niet goed is gegaan, " zei hij. "De chaotische eigenschap zorgt ervoor dat je niet per ongeluk een eindproduct krijgt dat er goed uitziet."

De ontdekking suggereert ook dat cryptografische, vermoedelijk door mensen bedachte berekeningen zijn niet uniek voor het digitale rijk. "Iets gewoons als een vloeistof voert nog steeds berekeningen uit, "zei Gilpin. "Het is niet iets dat alleen mensen tegen computers zeggen. Het is iets dat de natuur doet en het komt tot uiting in de structuur van hoe dingen ontstaan."

Gilpin is zelf geen computerwetenschapper of medicijnontwikkelaar. Als hij de digitale en fysieke velden niet met elkaar verbindt, hij bestudeert de manier waarop vloeistoffen in de natuur werken met Manu Prakash, een assistent-professor bio-engineering. Dus voor hem "Het idee dat we sommige van deze ideeën uit de informatica kunnen gaan gebruiken, is best spannend."