量子骰子：科学家利用纠缠光子实现真正的随机性操控

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，而了解算法或系统的人可能操纵或预测下一个数字。就像手法娴熟的专家可以操纵硬币翻转以保证正面或反面结果。即使最谨慎的硬币翻转也可能存在偏差；通过充分研究，其结果可被预测。

美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家克里斯蒂·肖姆表示：“真正的随机性是宇宙中任何事物都无法提前预测的。”肖姆补充道，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。科学家们后来证实爱因斯坦错了。与骰子或计算机算法不同，量子力学具有内在随机性。通过进行名为贝尔测试的量子实验，肖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，"肖姆说，"我们真心希望将这个实验带出实验室，转化为实用的公共服务。"

为实现这一目标，NIST研究人员与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公众使用。

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。这种随机性充当原材料，被研究团队的其余装置"精炼"成信标发布的随机数。

贝尔测试测量成对的"纠缠"光子，即使相隔遥远距离其特性仍相互关联。当研究人员测量单个粒子时结果是随机的，但粒子对的关联性超出了经典物理学的解释范围，这使得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"幽灵般的超距作用"。

这是首个以量子非局域性为数字来源的随机数生成服务，也是迄今最透明的随机数源。因为其结果可认证且可追溯的程度远超以往。

肖姆解释道："CURBy是首批公开可用的、具有可证明量子优势的服务之一。这对我们而言是重大里程碑。这些随机比特的质量和来源可直接获得认证，这是传统随机数生成器无法实现的。"

NIST于2015年完成了首批完整的贝尔实验测试，确凿证明了量子力学的真正随机性。2018年，NIST开创性地利用这些贝尔测试构建了全球首个真随机性源。

然而，将这些量子关联转化为随机数需要艰巨努力。NIST早期突破性的贝尔测试演示需数月搭建才能运行数小时，且需大量时间收集足够数据生成512比特的真随机数。肖姆团队耗时数年构建稳健的自动化实验系统，实现按需提供随机数。在最初40天运行中，该协议在7454次尝试中成功生成7434次随机数，成功率高达99.7%。

该过程始于在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。抵达实验室后测量光子偏振态，这些测量结果具有真随机性。该过程每秒重复25万次。

NIST将数百万次这类量子硬币翻转结果传输至科罗拉多大学博尔德分校的计算机程序。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位随机二进制代码（0和1）。最终生成的随机比特串无人可预测——即使爱因斯坦复生也无法做到。从某种意义上，该系统堪称宇宙最优硬币翻转装置。

NIST与合作团队增加了追溯和验证随机数生成全流程的能力。他们开发了缠绕协议（Twine protocol）——一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。该协议为信标的每组数据标记哈希值。区块链技术利用哈希值为数据集合添加数字指纹，使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助理贾斯珀·帕尔弗里解释："缠绕协议允许任何用户验证每个随机数的底层数据。"该协议可扩展接入其他随机数信标，构建多方贡献但无人控制的随机数网络。

这些哈希链的相互交织形成时间戳，将信标数据链接成可追溯的数据结构。同时提供安全保障，使协议参与者能即时发现数据篡改行为。

帕尔弗里补充道："缠绕协议让我们将所有信标编织成信任的织锦。"

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。整个过程开源公开，公众不仅可以核查其工作，还能基于信标构建自己的随机数生成器。

CURBy可应用于任何需要独立公共随机源的场景，例如筛选陪审团候选人、审计随机抽选或通过公共抽签分配资源。

卡武里强调："我想构建真正有用的东西。这项前沿基础科学研究实在太酷了。在NIST，你有追求宏大项目的自由，同时还能创造出实用成果。"