量子骰子：科学家从纠缠光子获取真正的随机性

但如何确认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，掌握算法或系统信息的人就可能操纵或预测下一个数字。精通障眼法的专家甚至能操控硬币翻转以确保正面或反面结果。即便最谨慎的抛硬币也可能存在偏差；通过充分研究，其结果仍可被预测。

美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家克里斯蒂·沙姆指出："真正的随机性是宇宙中任何事物都无法预先预测的。"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，也难以验证这些数字是否真正随机。

爱因斯坦曾坚信自然并非随机，其名言"上帝不会掷骰子"广为人知。科学家随后证实爱因斯坦错了。与骰子或计算机算法不同，量子力学具有固有随机性。沙姆团队通过名为贝尔测试的量子实验，将这种真实量子随机源转化为可追溯、可认证的随机数服务。

"倘若上帝确实在与宇宙掷骰子，你就能将其转化为宇宙允许的最佳随机数生成器，"沙姆表示，"我们真正目标是将这项实验移出实验室，转化为实用的公共服务。"

为此，NIST研究员与科罗拉多大学博尔德分校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，每日通过网站公开发布供大众使用。

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。这种随机性如同原材料，被研究团队的其他装置"精炼"成信标发布的随机数。

贝尔测试测量成对的"纠缠"光子——即便相隔遥远距离，其特性仍相互关联。单独测量粒子时结果是随机的，但光子对的关联性超越了经典物理学允许的范畴，使研究者能验证随机性。爱因斯坦称此量子非定域性为"幽灵般的超距作用"。

这是首个以量子非定域性为源的随机数生成服务，也是迄今最透明的随机数源。因其结果可认证且可追溯程度空前。

"CURBy是首批具备可证明量子优势的公共服务之一，这对我们意义重大，"沙姆阐释道，"这些随机比特的质量与来源可直接认证，这是传统随机数生成器无法实现的。"

NIST于2015年完成首批完整贝尔实验，确证量子力学具有真正随机性。2018年，NIST开创性利用贝尔测试构建了全球首个真随机源。

然而，将量子关联转化为随机数困难重重。NIST初期突破性贝尔测试需数月搭建仅运行数小时，收集生成512位真随机数据耗时极长。过去数年沙姆团队致力于构建能自动稳定运行的实验系统，实现按需提供随机数。该协议在最初40天运行中，7,454次尝试中成功产出7,434次随机数，成功率99.7%。

过程始于特殊非线性晶体内部生成纠缠光子对。光子通过光纤传输至大厅两端的独立实验室。抵达后测量其偏振状态，结果完全随机。该过程每秒重复25万次。

NIST将数百万次量子抛硬币结果传输至科罗拉多大学博尔德分校的计算机程序。经特殊处理步骤与严格协议，纠缠光子的量子测量结果被转化为512位随机二进制码（0和1）。最终生成的随机比特无人可预测，爱因斯坦也不例外。某种意义上，此系统堪称宇宙最佳抛硬币装置。

NIST及合作机构新增了追溯验证随机生成全流程的能力。他们开发了特怀恩协议——这套创新的量子兼容区块链技术允许多方协作生成并认证贝尔测试的随机性。该协议为信标数据集标记哈希值，区块链技术通过此数字指纹标识并审查每个数据块。

科罗拉多大学博尔德分校项目助理贾斯珀·帕尔弗里解释："特怀恩协议支持用户验证每个随机数的数据来源。"协议可扩展接入其他随机数信标，构建众人贡献、无人控制的随机网络。

哈希链互锁形成时间戳，将信标数据链接成可追溯结构，同时提供安全保障，使协议参与者能即时识别数据篡改。

"特怀恩协议让我们将所有信标编织成信任的织锦，"帕尔弗里补充道。

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。全流程开源公开，公众不仅能检验成果，还可基于信标构建自有随机数生成器。

CURBy适用于需独立公共随机源的场景，如筛选陪审团候选人、审计随机抽检或通过公共抽签分配资源。

"我想创造实用之物。这项基础科学尖端成果精妙绝伦，"卡武里强调，"NIST给予我们追求既具雄心又切实有用的项目的自由。"