量子骰子：科学家利用纠缠光子获取真随机性

但如何知道一个随机数是真正随机的呢？经典的计算机算法只能生成伪随机数，任何足够了解算法或系统的人都可以操纵它或预测下一个数字。一位精通障眼法的专家可以操控硬币翻转以保证得到正面或反面结果。即使是最仔细的硬币投掷也可能存在偏差；经过足够的研究，其结果是可以被预测的。

"真正的随机性是宇宙中任何事物都无法事先预测的，"美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家克里斯托·沙姆（Krister Shalm）说。他还补充道，即使一个随机数生成器利用了自然界中看似随机的过程，也很难验证这些数字是真正随机的。

爱因斯坦认为自然界并非随机，他的一句名言是："上帝不会掷骰子。"科学家们后来证明了爱因斯坦是错的。与骰子或计算机算法不同，量子力学本质上是随机的。沙姆和他的团队通过进行一项名为贝尔测试（Bell test）的量子实验，将这种真正的量子随机性源头转化为一种可追溯且可认证的随机数服务。

"如果上帝真的在掷骰子决定宇宙的运行，那么你可以将这转化为宇宙允许的最佳随机数生成器，"沙姆说。"我们确实希望将这项实验带出实验室，将其转变为一项有用的公共服务。"

为实现这一目标，NIST的研究人员及其在科罗拉多大学博尔德分校的同事创建了科罗拉多大学随机信标（CURBy）。CURBy自动生成随机数，并通过网站每日广播，供任何人使用。

该服务的核心是NIST运行的贝尔测试，它提供了真正随机的结果。这种随机性充当了一种原材料，研究人员装置的其他部分将其"精炼"成信标发布的随机数。

贝尔测试测量一对"纠缠"光子，即使相隔遥远距离，它们的属性也存在关联。当研究人员测量单个粒子时，结果是随机的，但这对粒子的属性之间的关联程度超出了经典物理允许的范围，这使得研究人员能够验证随机性。爱因斯坦称这种量子非定域性为"鬼魅般的超距作用"。

这是第一个使用量子非定域性作为数字来源的随机数生成器服务，也是迄今为止最透明的随机数来源。这是因为其结果的可认证性和可追溯性达到了前所未有的程度。

"CURBy是最早公开提供的、具有可证明量子优势的服务之一。这对我们来说是一个重要的里程碑，"沙姆解释道。"这些随机比特的质量和来源可以直接得到认证，这是传统随机数生成器无法做到的。"

NIST在2015年进行了首批完整的实验性贝尔测试之一，有力地确立了量子力学是真正随机的。2018年，NIST开创了利用这些贝尔测试构建世界上首批真正随机性源的方法。

然而，将这些量子关联转化为随机数是一项艰巨的工作。NIST首批突破性的贝尔测试演示需要数月的准备才能运行几个小时，并且需要大量时间来收集足够的数据以生成512比特的真实随机性。沙姆和他的团队在过去几年里致力于构建一个稳健且能自动运行的实验装置，以便能按需提供随机数。在运行的头40天里，该协议在7454次尝试中成功生成了7434次随机数，成功率高达99.7%。

该过程始于在一个特殊的非线性晶体内部生成一对纠缠光子。这些光子通过光纤传输到走廊两端的独立实验室。一旦光子到达实验室，它们的偏振就会被测量。这些测量的结果是真正随机的。这个过程每秒重复25万次。

NIST将数百万次这样的"量子抛硬币"结果传递给科罗拉多大学博尔德分校的一个计算机程序。利用特殊的处理步骤和严格的协议，将纠缠光子量子测量的结果转化为512位二进制代码（0和1）的随机比特。其结果是产生了一组无人能够预测的随机比特，即使是爱因斯坦也不行。在某种意义上，这个系统充当了宇宙最佳的抛硬币装置。

NIST及其合作者增加了追溯和验证随机性生成过程中每一步的能力。他们开发了Twine协议，这是一套新颖的量子兼容区块链技术，使多个不同的实体能够协同工作，生成和认证来自贝尔测试的随机性。Twine协议用哈希值标记信标的每一组数据。哈希值在区块链技术中用于通过数字指纹标记数据集，使每个数据块都能被识别和审查。

科罗拉多大学博尔德分校的项目研究助理贾斯珀·帕尔弗里（Jasper Palfree）解释说，Twine协议允许任何用户验证每个随机数背后的数据。该协议可以扩展以让其他随机数信标加入哈希图（hash graph），创建一个由所有人贡献但无人控制的随机性网络。

将这些哈希链交织在一起充当了时间戳，将信标的数据链接成一个可追溯的数据结构。它还提供了安全性，使Twine协议的参与者能够立即发现数据篡改。

"Twine协议让我们能够将所有这些其他信标编织成一个信任的挂毯，"帕尔弗里补充道。

将一个复杂的量子物理问题转化为公共服务，正是这项工作吸引项目研究生高塔姆·卡武里（Gautam Kavuri）的原因。整个过程是开源的并向公众开放，允许任何人不仅检查他们的工作，甚至可以在信标的基础上构建自己的随机数生成器。

CURBy可以在任何需要独立、公开的随机数源的地方使用，例如选择陪审团候选人、进行审计的随机选择或通过公共抽签分配资源。

"我想构建一些有用的东西。这是一件很酷的事情，处于基础科学的前沿，"卡武里补充道。"NIST是一个让你有自由去追求那些雄心勃勃但也将带来实用价值的项目的地方。"