量子骰子：科学家利用纠缠光子对实现真随机数生成

但如何判断一个随机数是真正随机的？经典计算机算法只能生成伪随机数，任何掌握足够算法或系统知识的人都可以操纵或预测下一个数字。就像戏法高手可以操控掷硬币结果保证正反面一样。即使最谨慎的掷硬币也可能存在偏差；经过充分研究，其结果就可能被预测。

美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家克里斯蒂·沙尔姆指出："真正的随机性是宇宙中任何事物都无法提前预测的。"他补充道，即使随机数生成器使用自然界中看似随机的过程，也很难验证这些数字是否真正随机。

爱因斯坦坚信自然并非随机，其名言"上帝不会掷骰子"广为人知。科学家们后来证实爱因斯坦错了。与骰子或计算机算法不同，量子力学本质上是随机的。通过实施名为贝尔测试的量子实验，沙尔姆团队将这种量子随机性源头转化为可追溯、可认证的随机数服务。

沙尔姆表示："如果上帝确实在与宇宙掷骰子，那么你就可以将其转化为宇宙允许的最佳随机数生成器。我们真正希望将这项实验带出实验室，转化为实用的公共服务。"

为实现这一目标，NIST研究人员与科罗拉多大学博尔德分校的同事共同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公众使用。

该服务的核心是NIST运行的贝尔测试，它能提供真正随机的结果。这种随机性作为原材料，被研究团队的装置"精炼"成信标发布的随机数。

贝尔测试测量成对的"纠缠"光子——即使相隔遥远距离，其特性仍相互关联。研究人员测量单个粒子时结果是随机的，但粒子对的关联性却超出了经典物理学的解释范围，这使研究人员得以验证随机性。爱因斯坦称这种量子非局域性为"鬼魅似的超距作用"。

这是首个将量子非局域性作为数字源的随机数生成服务，也是有史以来最透明的随机数源。因为其结果可认证且可追溯的程度超越了以往任何技术。

"CURBy是首批具有可证明量子优势的公共服务之一，这对我们而言是重大里程碑，"沙尔姆解释道，"这些随机比特的质量和来源可直接获得认证，这是传统随机数生成器无法实现的。"

NIST于2015年完成了首批完整的贝尔实验测试，确凿证明了量子力学的真随机性。2018年，NIST开创性地利用这些贝尔测试构建了全球首个真随机性源。

然而，将这些量子关联转化为随机数需要大量工作。NIST早期突破性的贝尔测试演示需要数月准备才能运行数小时，且需耗费大量时间收集足够数据生成512位真随机数。沙尔姆团队耗费数年构建了坚固可靠且能自动运行的实验装置，实现按需提供随机数。该协议在最初40天运行中，7454次尝试中7434次成功生成随机数，成功率高达99.7%。

该过程始于在特殊非线性晶体中生成纠缠光子对。光子通过光纤传输至大厅两端的独立实验室。抵达实验室后，测量其偏振态——这些测量结果具有真随机性。该过程每秒重复25万次。

NIST将数百万次这类量子掷币结果传输至科罗拉多大学博尔德分校的计算机程序。通过特殊处理步骤和严格协议，将纠缠光子的量子测量结果转化为512位二进制随机码（0和1）。最终生成的随机比特集无人可预测——连爱因斯坦也不例外。某种意义上，这套系统堪称宇宙最佳掷币器。

NIST及其合作者新增了对随机数生成全过程进行追踪验证的能力。他们开发了Twine协议——一套创新的量子兼容区块链技术，允许多个不同实体协作生成并认证贝尔测试的随机性。该协议为信标的每组数据标记哈希值。区块链技术中，哈希值通过数字指纹标记数据集，使每个数据块可被识别和审查。

"Twine协议允许用户验证每个随机数背后的数据，"科罗拉多大学博尔德分校项目研究助理贾斯珀·帕尔弗里解释道。该协议可扩展至其他随机数信标加入哈希图，形成由众人共建、无人操控的随机网络。

这些哈希链的交织形成时间戳，将信标数据链接成可追溯的数据结构，同时提供安全性，使Twine协议参与者能即时发现数据篡改。

帕尔弗里补充道："Twine协议让我们将所有信标编织成信任的挂毯。"

将复杂量子物理问题转化为公共服务正是该项目吸引研究生高塔姆·卡武里的原因。整个过程开源公开，公众不仅能校验其工作，更能基于该信标构建自己的随机数生成器。

CURBy适用于任何需要独立公共随机源的场景，例如遴选陪审团候选、审计随机抽样，或通过公共抽签分配资源。

"我想构建真正有用的东西。这既是基础科学前沿的酷炫成就，"卡武里强调，"NIST给予我们追求雄心项目并产出实用成果的自由。"