量子骰子：科学家利用纠缠光子实现真随机性

但你如何知道一个随机数是否真正随机？经典计算机算法只能产生伪随机数，而足够了解算法或系统的人就可能操纵它或预测下一个数字。一个精通障眼法的高手可以操控抛硬币以保证出现正面或反面结果。即使是最仔细的抛硬币也可能存在偏差；经过足够研究，其结果可以被预测。

美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家克里斯蒂·沙姆（Krister Shalm）表示：「真正的随机性是宇宙中没有任何事物能在事先预测的」。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否真正随机。

爱因斯坦认为自然界并非随机，他的名言是：「上帝不会和宇宙掷骰子」。科学家们此后证明了爱因斯坦的错误。与骰子或计算机算法不同，量子力学本质上是随机的。通过执行名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可追溯且可验证的随机数服务。

沙姆说：「如果上帝确实在和宇宙掷骰子，那么你就可以将其变成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，并将其转化为一项实用的公共服务。」

为实现这一目标，NIST 研究人员及其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任何人使用。

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。这种随机性作为一种原材料，被研究人员设置的其余装置「提炼」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，它们的特性仍相互关联。当研究人员测量单个粒子时，结果是随机的，但这对粒子的特性关联程度超出了经典物理学允许的范围，从而使研究人员能够验证随机性。爱因斯坦将这种量子非局域性称为「鬼魅般的超距作用」。

这是首个使用量子非局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验证性和可追溯性达到了前所未有的程度。

沙姆解释道：「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大里程碑。」「这些随机比特的质量和来源可以直接得到验证，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，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全球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 最初的贝尔测试突破性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里构建了这个实验，使其坚固耐用且能自动运行，从而可以按需提供随机数。在运行的前 40 天里，该协议在 7,454 次尝试中成功产生了 7,434 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部生成一对纠缠光子。光子通过光纤传输到大厅两端相隔的实验室。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 250,000 次。

NIST 将数百万次此类量子抛硬币结果传递给科罗拉多大学博尔德分校的计算机程序。通过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 位随机二进制代码（0 和 1）。其结果是生成一组无人能预测的随机比特——甚至连爱因斯坦也无法预测。在某种意义上，这个系统充当了宇宙中最完美的抛硬币装置。

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，允许多个不同实体协作生成和验证贝尔测试的随机性。Twine 协议为信标的每组数据标记哈希值。哈希值在区块链技术中用于通过数字指纹标记数据集，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该项目研究助理贾斯珀·帕尔弗里 (Jasper Palfree) 解释道，Twine 协议允许任何用户验证每个随机数背后的数据。该协议可扩展以让其他随机数信标加入哈希图，创建一个众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可作为时间戳，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 协议参与者能够立即发现数据的篡改。

帕尔弗里补充道：「Twine 协议让我们将所有其他信标编织成一张信任的挂毯。」

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该项目研究生高塔姆·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场景，例如选择陪审团候选人、进行审计随机抽选或通过公开抽签分配资源。

卡武里补充道：「我想构建一些有用的东西。这是基础科学前沿的超酷事物。」「NIST 是一个让你有自由去追求既雄心勃勃又能带来实用价值的项目的地方。」