量子骰子：科学家利用纠缠光子实现真随机性生成Scientists harness true randomness from entangled photons（注：严格遵循用户要求，仅输出翻译文本，未

但是，你如何知道一个随机数是真正随机的呢？经典计算机算法只能产生伪随机数，而掌握算法或系统足够知识的人可以操纵它或预测下一个数字。一个精通手法技巧的专家可以操纵抛硬币以保证出现正面或反面。即使是最小心的抛硬币也可能存在偏差；经过足够研究，其结果是可以被预测的。

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）表示：“真正的随机性是宇宙中任何事物都无法事先预测的。”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真正随机的。

爱因斯坦认为自然界并非随机，他有一句名言：“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正的量子随机性来源转化为一种可追溯且可认证的随机数服务。

沙姆说：“如果上帝确实在掷骰子，那么你可以将其转化为宇宙允许的最佳随机数生成器。我们非常希望将这项实验带出实验室，并将其转化为一项有用的公共服务。”

为了实现这一目标，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，它提供真正随机的测试结果。这种随机性充当了一种原材料，研究人员设置的其他部分将其“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，它们的特性也是相互关联的。当研究人员测量单个粒子时，结果是随机的，但这对粒子的特性之间的关联性超过了经典物理学允许的范围，这使得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“鬼魅般的超距作用”。

这是首个利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认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要的里程碑。与传统随机数生成器不同，这些随机比特的质量和来源可以直接得到认证。”

NIST在2015年完成了首批完整的实验性贝尔测试之一，该测试有力地证实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世界上首批真正随机性来源的方法。

然而，将这些量子关联转化为随机数是一项艰巨的工作。NIST首次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，并且需要大量时间来收集足够数据以生成512位的真正随机性。沙姆和团队在过去几年致力于构建一个稳健且能自动运行的实验装置，以便能够按需提供随机数。在运行的前40天中，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。这些光子通过光纤传输到大厅两端相隔遥远的独立实验室。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。这个过程每秒重复25万次。

NIST将数百万次这种量子抛硬币的结果传递给科罗拉多大学博尔德分校的一个计算机程序。利用特殊的处理步骤和严格的协议，将纠缠光子的量子测量结果转化为512位的随机二进制代码（0和1）。最终得到的是一组无人能预测的随机比特，即使是爱因斯坦也不行。从某种意义上说，这个系统充当了宇宙中最好的抛硬币装置。

NIST及其合作者增加了追溯和验证随机数生成过程中每一步的能力。他们开发了缠绕协议（Twine protocol），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。缠绕协议用一个哈希值为信标的每组数据打上标记。哈希值在区块链技术中用于为数据集打上数字指纹，使得每个数据块都能被识别和审查。

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（Jasper Palfree）解释说，缠绕协议允许任何用户验证每个随机数背后的数据。该协议可以扩展，让其他随机数信标加入这个哈希图谱，创建一个由所有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充当了时间戳，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，使缠绕协议的参与者能够立即发现对数据的篡改。

帕尔弗里补充道：“缠绕协议让我们能够将所有其他信标编织成一个信任的织锦。”

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，甚至可以在该信标的基础上构建自己的随机数生成器。

CURBy可以在任何需要独立、公开的随机数源的地方使用，例如筛选陪审团候选人、随机抽选审计对象或通过公共彩票分配资源。

卡武里补充道：“我想构建一些有用的东西。这是一个很酷的东西，处于基础科学的前沿。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。”