量子骰子：科学家利用纠缠光子实现真正的随机性

但你如何知道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，了解该算法或系统的人可能操纵它或预测下一个数字。一位手法娴熟的专家可以操控硬币投掷以保证正面或反面的结果。即使是最谨慎的硬币投掷也可能存在偏差；通过充分研究，其结果可以被预测。

"真正的随机性是宇宙中任何事物都无法预先预测的，"美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家克里斯蒂·沙姆说道。沙姆补充道，即使随机数生成器使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。

爱因斯坦认为自然并非随机，他 famously 宣称："上帝不会与宇宙玩骰子。"科学家们随后证明爱因斯坦错了。与骰子或计算机算法不同，量子力学本质上是随机的。通过进行一项称为贝尔测试的量子实验，沙姆及其团队将这种真正的量子随机性来源转化为一种可追溯且可认证的随机数服务。

"如果上帝确实在与宇宙玩骰子，那么你可以将其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，使其成为一项有用的公共服务。"

为了实现这一目标，NIST的研究人员及其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灯塔（CURBy）。CURBy自动生成随机数，并通过网站每日广播，供任何人使用。

这项服务的核心是NIST运行的贝尔测试，它能提供真正随机的结果。这种随机性作为一种原材料，被研究人员设置的其他部分"提炼"成灯塔发布的随机数。

贝尔测试测量成对的"纠缠"光子，即使相隔遥远距离，它们的特性仍然相互关联。当研究人员测量单个粒子时，结果是随机的，但这对粒子的特性之间的关联性超越了经典物理学所允许的范围，这使得研究人员能够验证其随机性。爱因斯坦称这种量子非定域性为"鬼魅般的超距作用"。

这是第一个将量子非定域性作为其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是最早公开可用的、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。"与传统随机数生成器无法做到的方式不同，这些随机比特的质量和来源可以直接得到认证。"

NIST在2015年完成了首批完整的实验贝尔测试之一，这牢固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来源的方法。

然而，将这些量子关联转化为随机数是一项艰巨的工作。NIST早期突破性的贝尔测试演示需要数月的设置才能运行几个小时，并且需要大量时间收集足够数据来生成512位真正的随机性。沙姆和团队在过去几年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。在运行的前40天里，该协议在7454次尝试中成功生成了7434次随机数，成功率达99.7%。

该过程始于在一块特殊的非线性晶体内生成一对纠缠光子。光子通过光纤传输到大厅两端独立的实验室。一旦光子到达实验室，它们的偏振态就会被测量。这些测量的结果是真正随机的。此过程每秒重复25万次。

NIST将数百万次这种量子"抛硬币"的结果传送给科罗拉多大学博尔德分校的一个计算机程序。采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——即使是爱因斯坦——能够预测的随机比特。在某种意义上，该系统充当了宇宙最佳的"硬币抛掷器"。

NIST及其合作者增加了追溯和验证随机数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作生成并认证来自贝尔测试的随机性。Twine协议为灯塔的每组数据标记一个哈希值。哈希值在区块链技术中用于通过数字指纹标记数据集，允许每个数据块被识别和审查。

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，让其他随机数灯塔加入哈希图谱，创建一个由众人贡献而非个体控制的随机性网络。

将这些哈希链交织在一起充当了时间戳，将灯塔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协议参与者能够立即发现数据的篡改。

"Twine协议让我们能够将所有其他灯塔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·卡武里的原因。整个过程是开源的并向公众开放，不仅允许任何人检查他们的工作，甚至允许他们在灯塔的基础上构建自己的随机数生成器。

CURBy可用于任何需要独立、公开随机数源的地方，例如挑选陪审团候选人、进行审计随机抽样或通过公开抽签分配资源。

"我想构建一些有用的东西。这是处于基础科学前沿的很酷的东西，"卡武里补充道。"NIST是一个你有自由去追求那些既雄心勃勃又能带来实用价值的项目的地方。"