量子骰子：科学家利用纠缠光子获取真正随机性

但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，任何了解该算法或系统的人都有可能操纵或预测下一个数字。就像熟练的魔术师可以操控硬币翻转以保证正面或反面结果一样，即使是最仔细的抛硬币也可能存在偏差；经过足够研究，其结果是可预测的。

"真正的随机性是宇宙中任何事物都无法提前预测的，"美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家克里斯蒂·沙姆（Krister Shalm）说。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，他那句名言是："上帝不会掷骰子。"科学家们后来证明爱因斯坦错了。与骰子或计算机算法不同，量子力学本质上是随机的。通过进行一项名为贝尔测试的量子实验，沙姆及其团队将这种真实的量子随机性来源转化为可追溯、可认证的随机数服务。

"如果上帝确实在与宇宙掷骰子，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。"我们真正希望的是将这项实验带出实验室，将其转变为一项有用的公共服务。"

为实现这一目标，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，被研究人员装置的其他部分"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，它们的特性仍具有关联性。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的解释范围，从而使研究人员能够验证其随机性。爱因斯坦将这种量子非局域性称为"幽灵般的超距作用"。

这是首个以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。这对我们而言是一个重要里程碑，"沙姆解释道。"这些随机比特的质量和来源可以直接认证，而传统随机数生成器无法做到这一点。"

NIST在2015年完成了首批完整的贝尔测试实验之一，该实验确凿地证明了量子力学具有真正的随机性。2018年，NIST开创了利用这些贝尔测试构建全球首批真实随机性源的方法。

然而，将这些量子关联转化为随机数是一项艰巨的工作。NIST首批突破性的贝尔测试演示需要数月的准备才能运行几个小时，并且花费大量时间收集足够数据以生成512位真实随机性。沙姆团队过去几年致力于构建一个稳健且能自动运行的实验装置，以便按需提供随机数。在运行的前40天内，该协议在7,454次尝试中成功生成随机数7,434次，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。光子通过光纤传输至大厅两端独立的实验室。光子抵达实验室后，对其偏振进行测量。这些测量结果是真正随机的。该过程每秒重复25万次。

NIST将数百万次此类量子抛硬币结果传输至科罗拉多大学博尔德分校的一个计算机程序。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）。其结果是生成了一组无人能预测的随机比特——即便是爱因斯坦也无法预测。在某种意义上，该系统堪称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每一步的能力。他们开发了Twine协议——一套创新的量子兼容区块链技术，使多个不同实体能够协作生成和认证来自贝尔测试的随机性。Twine协议为信标的每组数据标记哈希值。区块链技术中，哈希值用于通过数字指纹标记数据集，使得每个数据块可被识别和审查。

科罗拉多大学博尔德分校项目研究助理贾斯珀·帕尔弗里（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。该协议可扩展至允许其他随机数信标加入哈希图，从而创建一个由众人贡献但无人控制的随机性网络。

将这些哈希链交织起来可充当时间戳，将信标数据链接成可追溯的数据结构。它还提供安全性，使Twine协议参与者能立即发现数据篡改行为。

"Twine协议让我们能将所有其他信标编织成一张信任之网，"帕尔弗里补充道。

将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（Gautam Kavuri）的原因。整个过程是开源的并向公众开放，任何人都不仅可以核查他们的工作，甚至能以该信标为基础构建自己的随机数生成器。

CURBy可应用于任何需要独立、公开随机数源的场景，例如筛选陪审团候选人、审计随机抽样或通过公共抽签分配资源。

"我想构建一些有用的东西。这个处于基础科学前沿的成果非常酷，"卡武里补充道。"NIST是一个让你有自由追求既具雄心又能产出实用价值的项目的地方。"