コンピュータの歴史に興味のある人なら、トミー・フラワーズとハリー・フェンサムという名前を聞くと、暗号解読の巨像を思い浮かべるでしょう。しかし、戦後、彼らは、多くの人に愛され、擬人化された、億万長者を生み出すマシン、アーニーの開発にも携わりました。
ERNIE（電子乱数表示装置）は、郵便局（現在はNS&I）が毎月プレミアム債券の当選者を選ぶ際に、何百万もの乱数を発生するのに使用される機械です。
彼はマッドネスやジェスロ・タルの歌で不滅の存在となり、1957年にこの制度が開始されて以来配られた4億2000万ポンド（総額191億ポンド）の賞金の受取人である可能性が高い賭博客からクリスマスカードやバレンタインカードも受け取っている。
これまで、ERNIEの4つのバージョンはいずれも熱雑音を利用して乱数を生成してきたが、政府は本日、量子技術を活用したERNIE 5を発表した。
今月の債券当選番号の抽選に使用されたアーニー5は、約900万個の数字を12分で抽選できます。2004年から運用されているアーニー4は、1時間で100万個の数字を抽選するため、抽選には約9時間かかります。
対照的に、フェンサムと彼の同僚がドリス ヒルの郵便局研究所で作成した最初の ERNIE は、1 時間ごとに 2,000 個の数字を抽選したため、65,000 個の数字をすべて抽選するにはほぼ 3 日かかりました。
アーネスト・マープルズが1957年6月に最初のプレミアム債券の抽選を開始した。写真提供：NS&I
現在、賞金獲得資格のある債券は790億以上あり、そのうち約20パーセントは2016年11月以降に購入されたものである。当初8文字または9文字だった債券は現在11文字に移行しており、NS&Iが12文字の債券に移行するまでには、約6000億が残っている。
しかし、ERNIEは、授与される賞品の数だけでなく、はるかに多くの乱数を生成する必要があります。これは、一部の番号が対象外となるためです。まだ購入されていない番号や、すでに換金されている番号などです（債券番号は再発行されません）。また、債券は当選資格を得るまでに1ヶ月間保有する必要があります。
2019年3月現在、抽選ごとに約850万個の数字が生成され、そのうち約325万個が当選します。当選金は100万ポンドの賞が2つと、10万ポンドから25ポンドまでの様々な賞金が用意されています。当選者は、ERNIEが生成した当選資格のある最初の数字です。
ERNIE の活動は、抽選の前後に政府保険数理局 (GAD) によってチェックされ、機械が本当にランダムであるかどうかを確認するために 4 つのテストが実行されます。
- 頻度 – ボンド番号の各位置にあるすべての文字が、必要な頻度で出現するかどうか
- シリアル – これは、1つの数字が別の数字に何回続くかを調べます。たとえば、3が7の直後に何回続くかなどです。
- ポーカー – これは、連続して生成された文字のグループに、4つの同じ文字、3つの同じ文字、2つのペア、1つのペア、すべて異なる文字が含まれる回数を調べます。
- 相関関係 – これは、一連のボンド番号にわたって、2つの異なるボンド位置にある文字間の相関関係を調べます。
ERNIE は一度も失敗したことがありません。
しかし、1時間に100万の数字を生成する第4世代は、その能力の限界に達しています。抽選にこれ以上の時間がかかると、システムは抽選に必要な数の債券とGADがチェックする必要があるファイルの両方を生成できなくなります。1回の抽選で1億の数字を生成できるERNIE 5のシステムでは、この問題は解消されています。
ランダム性の追求
プレミアム ボンドが開始されたとき、郵便局は何千もの数字を生成できる必要がありました。なぜなら、1 つの大きなジャックポットではなく、いくつかの小さな賞品を配布していたからです。これは、ビンゴ ホールのボール マシンの仕事とはまったく異なります。
さらに、数値が真にランダムであることが不可欠でした。そのためには、入力は一切不要です。つまり、数値を予測可能または再現可能にするシステムへの「種」となるものは一切不要です。これは、アルゴリズムではなく、物理的な乱数源に頼ることを意味します。なぜなら、コンピューターは本質的に決定論的であり、疑似乱数しか生成できないからです。
これを念頭に、暗号解読以外に何に目を向けるべきでしょうか？そこで、ブレッチリー・パークでコロッサスの開発に携わっていた何人かの人々が、ドリス・ヒルの郵便局研究所で乱数発生器の開発に着手しました。
ERNIE 1から4の原理は、熱ノイズ、あるいは信号ノイズ（古いアナログラジオのヒスノイズなど）を利用するというものでした。この原理では、ネオンガスを充填した管を使用し、両端に高電圧を印加することで電流を流します。
電子が電極から発射されると、管内のネオン原子と衝突します。電子の進路はランダムです。この電流は増幅され、デジタル化され、当初は8桁または9桁の数字で構成されていたボンド番号を生成するために使用されました。物理的プロセスによってランダムな統計的変動が生じ、生成される数字は真にランダムです。
ERNIE 1には9組のカウンターがあり、ネオン管からのパルスによって駆動されていました。1秒あたりのパルス数によって、1秒あたりのカウント数が決定されます。ランダムな文字を生成するために、下段のカウンターが上段のカウンターから何ステップ遅れているかを計算しました。
9番目のカウンターは実際には0から22までの値を表示するように設定されており、文字を生成します（I、O、Uは1、0、Vに非常に似ているため、含まれませんでした）。間隔は2秒に設定され、機械は毎回8桁の数字と1文字からなる9文字のボンドを生成しました。
その後、債券番号は、その先頭の文字に基づいてブラックプールのテレプリンター室に送信され、2人の担当者が別々に、債券が存在し、適格かどうかを確認しました。このプロセスは1980年代に自動化されました。
そして、その原則は今に至るまで変わっていない。今日の発表は、NS&Iにとって大きな変化であり、暗号化用のランダムキーを生成するために一般的に導入されている量子技術を政府が最も一般向けに活用する事例の1つとなる可能性がある。
ERNIE 5のチップ。クレジット：NS&I
ERNIE 5を動かすチップは、暗号資産ビジネスを手がけるID Quantique（IDQ）によって開発されました。物理的な力を用いて乱数を生成するというアイデアはIDQと似ています。この場合、光子は半透明の鏡に向かって送られ、反射または透過のいずれかの事象が発生し、その事象が0と1のビット値に関連付けられます。
「素晴らしい機械」
この飛躍的な進歩により、ERNIE 5は抽選に12分しかかかりません。これによりNS&Iは将来にわたってプレミアム債券を販売し続けることが可能になり、いつまでたっても販売を続けることができます。もしERNIE 1が今日まで存在していたとしたら、機械がノンストップで稼働していたとしても、抽選には約190日かかります。
しかし、新しいマシンの速度によって、ERNIE 1 がユニークで画期的なキットであったという事実が損なわれることはありません。
「実に様々な種類の電子機器を網羅しています」と、コロッサスの復元に携わった国立コンピューティング博物館（TNMoC）のチームメンバー、フィル・ヘイズ氏はThe Register紙に語った。「新旧の技術が融合しています。」
これには、古い電話キット、ストローガー機器、リレー、電気機械式バルブ、トランジスタ、コアメモリなどが含まれます。しかし、それだけではありません。「今日では、プリント基板は誰もが知っています。あらゆる電子機器に搭載されています。しかし、ごく初期の頃は、配線基板と呼ばれていました」とヘイズ氏は言います。
オリジナルのERNIE 1。クレジット：NS&I
「ERNIEは、Dollis Hill社がプリント配線基板を用いて初めて製造したマシンであり、プリント回路基板を採用した最初のマシンです。だからこそ、これほど素晴らしいマシンなのです。」
ヘイズがアーニーについて尊敬の念をもって語るのは、彼が生涯をアーニーに夢中になってきたからだ。
「1960年頃、8歳くらいの頃、『アーニー』という機械のことを耳にしました。最初は興味をそそられましたが、よく理解できませんでした。その後、電子工学に興味を持ち始めてから、アーニーにすっかり夢中になりました。」
この魅力は生涯にわたって彼を魅了し、2005年頃、ヘイズ氏は ERNIE 1 が科学博物館の保管庫に眠ったまままだ存在していることを知り、それを TNMoC に持ち込もうと試みました。
「名前は多くの人が知っていましたが、機械そのものは常に極秘にされていました。そこで、アーニーをここに連れてきて、この重要な装置を一般の人々に見せたかったのです。」
そのためには報告書を作成しなければならなかった。「しかし、それは裏目に出ました。」というのも、その報告書によって科学博物館はアーニー1のコンピューターとしての重要性を確信し、代わりにそこに展示することになったからだ。
ヘイズ氏は、研究に取り組んだ当時、自分が若い頃に考えていた機械アーニーが、自分が再建を手伝った機械コロッサスと何か共通点があるとは知らなかったと語り、コロッサスの前でエル・レグ氏と会話していたという。
アーニー1号の製作に取り組むハリー・フェンサム。写真提供：NS&I
「アーニー1の主任設計者はハリー・フェンサムという男だった。彼は戦時中、トミー・フラワーズと共にコロッサスの設計に携わった最初の設計者の一人だった」と彼は言った。「しかし当時は、そこに繋がりがあるとは思っていなかった」
ERNIE 4の幸せな引退
当然のことながら、ERNIE 1は大規模で複雑な技術的構成を特徴としていました。文字通り人々を豊かにする顧客対応の機械であったため、政府は国民の信頼を確保する必要がありました。そこで権力者たちは、1956年に債券発行の際に、郵政長官チャールズ・ヒルが報道陣に披露するためのデモ版を作成することを決定しました。
オリジナルのERNIE 1デモリグと郵便局長チャールズ・ヒル氏。写真提供：NS&I
このデモ機の複製（当日、NS&I のスタッフの 1 人が「アーニーの立派な顔」と冗談を言った）は、El Reg がTNMoCを訪問した際に展示されていました。
大きな木箱には、0 から 9 までの数字が書かれた 2 つの巨大なダイヤルと回転するオレンジ色のライトがあり、増幅すると大きなシューという音が鳴り、信号ノイズがどのように乱数を生成するために使われているかを示します。
TNMoCで展示されているデモの複製
TNMoCで稼働中のERNIE 1デモ機の様子を、Vultureが撮影した動画をこちらでご覧ください。（もう少しクオリティの高い動画をご希望の場合は、NS&Iがヘイズ氏へのインタビュー動画をこちらで公開しています。）
同博物館はバーチャルなアーニーも開発した（ただしヘイズ氏は数字が完全にランダムになるわけではないと指摘した）。
そして、数か月後には、ERNIE 1 デモ マシンが、この夏に公開される予定の ERNIE とその歴史に関する展示の一部となる予定です。
幸いなことに、ヘイズがアーニー 1 号をブレッチリー博物館に持ち込もうとした試みは失敗に終わったが、希望の光はあった。アーニー 4 号は、博物館で、長い間行方不明だった遠い親戚のコロッサスの隣の部屋で引退生活を送ることになるのだ。®
