量子力学可以提供真正随机数
量子力学提供真正随机数，颠覆传统伪随机。CURBy服务每日生成可验证随机数，应用于密码安全与公正选择。
随机性在生活中无处不在。抽签、掷骰子、抛硬币，这些简单动作帮我们做出公平决定。随机数还能让审计人员无偏见地抽样，或者为密码系统生成难以破解的密钥。然而，真正的随机数是什么？普通计算机算法只能生成伪随机数，了解算法的人或许能预测或操控结果。即便小心翼翼地抛硬币，细微的偏见也可能被研究透彻，结局不再神秘。就像一个老练的魔术师，总能“控制”硬币落成正面或反面。
Krister Shalm，来自 National Institute of Standards and Technology 的物理学家，解释说：“真正的随机，是宇宙中任何事物都无法预知的。”自然界看似随机的过程，比如风的流动或放射性衰变，难以验证是否真正随机。Einstein 曾坚信自然界没有随机， famously 说：“上帝不会与宇宙掷骰子。”但科学家的研究早已证明他错了。
量子力学的核心在于其内在的随机性。Shalm 和团队利用一种名为 Bell 测试的量子实验，将这种随机性转化为可追溯、可验证的随机数服务。他们与 University of Colorado Boulder 的研究者合作，推出了 Colorado University Randomness Beacon(CURBy，科罗拉多大学随机信标)，通过网站每日自动发布随机数，供所有人免费使用。这项成果发表在 Nature 期刊上。
CURBy 的核心是 NIST 运行的 Bell 测试，生成真正的随机结果。实验中，研究者测量一对“纠缠”光子的属性。这些光子即使相隔遥远，其性质依然相关，测量单个光子的结果完全随机，但成对光子的关联却超越经典物理的界限。Einstein 称之为“远距离的诡异作用”。这种量子非局域性让 CURBy 成为首个以量子力学为基础的随机数服务，其透明度和可验证性前所未有。
“CURBy 是首个公开提供可证明量子优势的服务，” Shalm 说，“这些随机数的质量和来源可以直接验证，传统随机数生成器无法做到。” 2015 年，NIST 完成了首次完整的 Bell 测试，确认量子力学的真正随机性。2018 年，他们率先利用 Bell 测试构建了全球首批真随机源。但将量子关联转化为随机数并非易事。早期实验需数月准备，仅运行几小时才能收集足够数据，生成 512 位随机数。
经过多年努力，Shalm 团队让实验更稳定，可自动运行，随时生成随机数。在 CURBy 运行的前 40 天，系统尝试 7454 次，成功生成随机数 7434 次，成功率高达 99.7%。过程始于一种特殊非线性晶体，生成一对纠缠光子，光子通过光纤传到大厅两端的实验室，测量其偏振。每次测量结果完全随机，系统每秒重复这一过程 25 万次。
这些量子“抛硬币”的结果被传到 University of Colorado Boulder 的计算机程序，经过严格处理，转化为 512 位二进制随机数(0 和 1 的序列)。这些随机数，连 Einstein 也无法预测，堪称宇宙最佳的硬币抛掷。研究团队还开发了 Twine 协议，一种兼容量子的区块链技术，用哈希标记每组随机数。哈希就像数字指纹，确保数据可被识别和审查。
Jasper Palfree，项目研究助理，解释说：“Twine 协议让用户验证每个随机数背后的数据。”它还能扩展，允许其他随机数信标加入，组成一个无人控制的随机网络。哈希链的交织如同时间戳，将数据连接成可追溯的结构，同时提供安全性，任何篡改都能被立即发现。“Twine 协议把多个信标编织成一张信任之网，” Palfree 说。
将复杂的量子物理问题转化为公共服务，正是这项研究的魅力所在。研究生 Gautam Kavuri 对此充满热情：“我想做有用的东西。这是基础科学的尖端成果。” CURBy 完全开源，任何人都能检查代码，甚至基于它开发自己的随机数生成器。它可用于公正的场景，如挑选陪审团、审计抽样或公开抽签分配资源。
2015 年的 Bell 测试如同打开了一扇窗，揭示了量子的神秘随机性。如今，CURBy 让这扇窗变成了一项服务，触手可及。Kavuri 说：“在 NIST，你有自由追逐既雄心勃勃又实用的项目。” 或许，量子力学不仅让我们窥见宇宙的骰子，还为公平与安全提供了全新的钥匙。
