量子骰子：科学家利用纠缠光子对实现真正随机性

但如何判断一个随机数是否真正随机？经典计算机算法只能生成伪随机数，掌握算法或系统足够信息的人便可操控或预测下一个数字。就像精于手法的专家能操控抛硬币确保正反面结果。即便最谨慎的抛硬币也可能存在偏差；经过充分研究，其结果亦可预测。

美国国家标准与技术研究院（NIST）物理学家克里斯蒂·沙姆表示："真正的随机性意味着宇宙中没有任何事物能提前预测其结果。"沙姆补充道，即使随机数生成器利用了自然界中看似随机的过程，也难以验证这些数字是否真正随机。

爱因斯坦坚信自然并非随机，其名言"上帝不掷骰子"广为人知。科学家们随后证实爱因斯坦错了。与骰子或计算机算法不同，量子力学具有本质的随机性。沙姆及其团队通过执行名为"贝尔测试"的量子实验，将这种真实量子随机性源头转化为可追溯、可认证的随机数服务。

"如果上帝确实在与宇宙掷骰子，那么你就能将其转化为宇宙允许的最佳随机数生成器，"沙姆说，"我们真正希望将这项实验带出实验室，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，并通过网站每日发布供公众使用。

该服务的核心是NIST运行的贝尔测试，它能提供真正随机的实验结果。这种随机性作为原材料，被研究人员的后续装置"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；但这对粒子的关联性超越了经典物理允许的范畴，使研究人员能够验证随机性。爱因斯坦称这种量子非定域性为"鬼魅般的超距作用"。

这是首个以量子非定域性为数字源头的随机数生成服务，也是迄今最透明的随机数来源。因为其结果的可认证性和可追溯性达到了前所未有的高度。

"CURBy是首批公开可用的、具有可证明量子优势的服务之一。这对我们具有里程碑意义，"沙姆解释道，"这些随机比特的质量和来源可直接认证，而传统随机数生成器无法做到这点。"

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批真随机性源。

然而，将这些量子关联转化为随机数充满挑战。NIST早期突破性的贝尔测试演示需数月的准备才能运行数小时，且需耗费大量时间收集足够数据生成512位真随机数。沙姆团队耗费数年构建了稳健且自动运行的实验系统，实现了按需提供随机数。在最初运行的40天内，该协议在7,454次尝试中成功生成随机数7,434次，成功率高达99.7%。

该过程始于在特殊非线性晶体中生成纠缠光子对。光子通过光纤传输至大厅两端的独立实验室。光子抵达实验室后，研究人员测量其偏振态。这些测量结果具有真正随机性。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计算机程序。通过特殊处理步骤和严格协议，纠缠光子的量子测量结果被转化为512位二进制随机码（0和1）。最终产生的随机比特无人能够预测——连爱因斯坦也不例外。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数生成各环节的能力。他们开发了"缠绕协议"（Twine protocol）——套创新的量子兼容区块链技术，使多个不同实体能协作生成并认证贝尔测试的随机性。该协议为信标每组数据标记哈希值。区块链技术中的哈希值如同数据指纹，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研究员贾斯珀·帕尔弗里解释："缠绕协议允许任何用户验证每个随机数背后的数据。"该协议可扩展至其他随机数信标加入哈希图，构建由众人贡献却不受个体控制的随机网络。

这些哈希链的相互交织形成时间戳，将信标数据联结成可追溯的数据结构。同时提供安全保障，使缠绕协议参与者能即时发现数据篡改。

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，任何人皆可查验其成果，甚至能基于该信标构建自己的随机数生成器。

CURBy适用于任何需要独立公共随机源的场景，例如遴选陪审团候选人、审计随机抽检或通过公共抽签分配资源。

"我想构建真正有用的东西。这是基础科学前沿的突破性成果，"卡武里强调，"NIST给予我们追求既具雄心又具实用价值项目的自由。"