量子骰子：科学家利用纠缠光子实现真正随机性

但你怎么知道一个随机数是真正随机的呢？经典计算机算法只能创建伪随机数，而了解该算法或系统足够的人可以操纵它或预测下一个数字。手法娴熟的高手可以操纵抛硬币来保证正面或反面结果。即使是最谨慎的抛硬币也可能有偏差；通过足够的研究，其结果是可预测的。

"真正的随机性是宇宙中没有任何东西能够提前预测的东西，"国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家克里斯特·沙姆说。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，沙姆补充道。

爱因斯坦相信自然不是随机的，他著名地说过："上帝不与宇宙掷骰子。"此后科学家们证明了爱因斯坦是错误的。与骰子或计算机算法不同，量子力学本质上是随机的。通过执行一项名为贝尔测试的量子实验，沙姆和他的团队已将这种真正的量子随机性来源转化为可追踪和可认证的随机数服务。

"如果上帝确实与宇宙掷骰子，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。"我们真的很想将这个实验带出实验室，并将其转化为一项有用的公共服务。"

为实现这一目标，NIST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。

该服务的核心是由NIST运行的贝尔测试，它提供真正随机的结果。这种随机性作为一种原材料，被研究人员的其余设置"精炼"成由信标发布的随机数。

贝尔测试测量成对的"纠缠"光子，这些光子的属性即使在相隔遥远距离时也相互关联。当研究人员测量单个粒子时，结果是随机的，但这对粒子的属性比经典物理学允许的更相关，从而使研究人员能够验证随机性。爱因斯坦称这种量子非局域性为"远距离的幽灵作用。"

这是第一个使用量子非局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。这是因为结果是可以认证的，并且可追踪的程度比以往任何时候都高。

"CURBy是首批公开可用的服务之一，它以可证明的量子优势运行。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认证，而传统的随机数生成器无法做到这一点。"

NIST在2015年进行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。在2018年，NIST开创了使用这些贝尔测试来构建世界上首批真正随机性来源的方法。

然而，将这些量子相关性转化为随机数是一项艰巨的工作。NIST首次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，并且花费大量时间收集足够数据以生成512比特的真正随机性。沙姆和团队在过去几年中构建了该实验，使其稳健且自动运行，从而能按需提供随机数。在前40天的运行中，该协议在7,454次尝试中成功生成了7,434次随机数，成功率99.7%。

该过程从在一种特殊的非线性晶体中生成一对纠缠光子开始。光子通过光纤传输到大厅两端的独立实验室。一旦光子到达实验室，它们的偏振就被测量。这些测量的结果是真正随机的。该过程每秒重复250,000次。

NIST将这些数以百万计的量子硬币翻转传递给科罗拉多大学博尔德分校的一个计算机程序。使用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个二进制代码（0和1）的随机比特。结果是一组没有人（甚至爱因斯坦）能够预测的随机比特。在某种意义上，这个系统充当了宇宙最佳的硬币翻转。

NIST及其合作者增加了追踪和验证随机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，允许多个不同实体协作生成和认证来自贝尔测试的随机性。Twine协议用哈希标记信标的每个数据集。哈希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。

Twine协议允许任何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的项目研究助理贾斯珀·帕尔弗里解释道。该协议可扩展以让其他随机数信标加入哈希图，创建一个每个人都贡献但无个体控制的随机性网络。

交织这些哈希链充当时间戳，将信标的数据链接成一个可追踪的数据结构。它还提供安全性，允许Twine协议参与者立即发现数据的操纵。

"Twine协议让我们将所有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高塔姆·卡武里（该项目的研究生）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，甚至基于信标创建自己的随机数生成器。

CURBy可在任何需要独立、公共随机数来源的地方使用，例如选择陪审团候选人、进行随机审计选择或通过公共彩票分配资源。

"我想构建一些有用的东西。这是一项很酷的事物，它处于基础科学的前沿，"卡武里补充道。"NIST是一个你有自由追求那些雄心勃勃但也会提供有用成果的项目的地方。"