科学家建造量子随机数信标
随机性非常有用。 人们经常抽吸管、掷骰子或掷硬币来做出公平的选择。 随机数可以使审计员做出完全公正的选择。 随机性也是安全性的关键; 如果密码或密码是一串无法猜测的数字，则更难破解。 如今，我们的许多加密系统都使用随机数生成器来生成安全密钥。 但是你怎么知道一个随机数是真正的随机数呢？ 经典的计算机算法只能创建伪随机数，并且对算法或系统有足够了解的人可以纵它或预测下一个数字。 一个诡计多端的专家可以纵抛硬币来保证正面或反面的结果。 即使是最小心的抛硬币也可能有偏差; 通过足够的研究，他们的结果是可以预测的。 “真正的随机性是宇宙中没有任何事物可以提前预测的东西，”美国国家标准研究院 （National Institute of Standards and技术 （NIST）。 Shalm 补充说，即使随机数生成器在自然界中使用看似随机的过程，也很难验证这些数字是否真的是随机的。 爱因斯坦相信自然界不是随机的，有句名言：“上帝不会与宇宙玩骰子。 此后，科学家们证明爱因斯坦错了。 与骰子或计算机算法不同，量子力学本质上是随机的。 沙尔姆和他的团队进行了一项名为贝尔测试的量子实验，他已经将这个真正的量子随机性来源转化为可追溯和可证明的随机数服务。 “如果上帝真的与宇宙玩骰子，那么你可以把它变成宇宙允许的最好的随机数生成器，”沙尔姆说。 “我们真的很想把这个实验带出实验室，把它变成一种有用的公共服务。” 为了实现这一目标，科罗拉多大学博尔德分校的 NIST 研究人员和他们的同事创建了科罗拉多大学随机性信标 （CURBy）。 CURBy 自动生成随机数，并每天通过网站广播它们供任何人使用。 这项服务的核心是 NIST 运行的贝尔测试，它提供真正的随机结果。 这种随机性充当了一种原材料，其他研究人员的设置将其“提炼”成信标发布的随机数。 贝尔测试测量成对的“纠缠”光子，即使相隔很远，这些光子的特性也是相关的。 什么时候研究人员测量单个粒子，结果是随机的，但对粒子的特性比经典物理学允许的更相关，使研究人员能够验证随机性。 爱因斯坦将这种量子非局域性称为“远距离的幽灵作用”。 这是第一个使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。 这是因为结果是可证明的，并且可追溯到比以往任何时候都大。 “CURBy 是首批公开可用的服务之一，它以可证明的量子优势运行。 这对我们来说是一个重要的里程碑，“Shalm 解释说。 “这些随机位的质量和来源可以直接认证，这是传统随机数生成器无法做到的。” NIST 在 2015 年进行了首批完整的贝尔实验测试之一，该测试牢固地确立了量子力学是真正随机的。 2018 年，NIST 率先使用这些 Bell 测试来构建世界上第一个真正随机性的来源的方法。 然而，将这些量子相关性转化为随机数是一项艰巨的工作。 NIST 的贝尔测试的首次突破性演示需要数月的设置才能运行几个小时，并且需要花费大量时间来收集足够的数据来生成 512 位的真正随机性。 Shalm 和团队在过去几年中构建了 Experiment，使其具有稳健性并自动运行，因此它可以提供随机数。 在运行的前 40 天，该协议在 7,454 次尝试中产生了 7,434 次随机数，成功率为 99.7%。 该过程首先在特殊的非线性晶体内产生一对纠缠光子。 光子通过光纤传播到大厅两端的独立实验室。 一旦光子到达实验室，就会测量它们的偏振。 这些测量的结果是真正随机的。 此过程重复 250,000 次每秒。 NIST 将数百万个这样的量子硬币翻转传递给科罗拉多大学博尔德分校的计算机程序。 使用特殊的处理步骤和严格的协议将纠缠光子上的量子测量结果转换为 512 个随机位的二进制代码（0 和 1）。 结果是一组没有人，甚至爱因斯坦都无法预测的随机位。 从某种意义上说，这个系统是宇宙中最好的抛硬币。 NIST 及其合作者添加了能够跟踪和验证随机性生成过程中的每一步。 他们开发了 Twine 协议，这是一套新颖的量子兼容区块链技术，使多个不同的实体能够协同工作，以生成和验证贝尔测试的随机性。 Twine 协议使用哈希值标记信标的每组数据。 哈希值在区块链技术中用于使用数字指纹标记数据集，从而允许识别每个数据块，并且审议。 Twine 协议允许任何用户验证每个随机数背后的数据，科罗拉多大学博尔德分校该项目的研究助理 Jasper Palfree 解释说。 该协议可以扩展以允许其他随机数信标加入哈希图，从而创建一个每个人都参与但没有个人控制的随机性网络。 将这些哈希链交织在一起充当时间戳，将信标的数据链接在一起形成可追溯的数据结构。 它还提供安全性，允许 Twine 协议参与者立即发现数据作。 “Twine 协议让我们将所有其他信标编织成一幅信任挂毯，”Palfree 补充道。 将复杂的量子物理学问题转化为公共服务正是这项工作吸引该项目研究生 Gautam Kavuri 的原因。 整个过程是开源的，对公众开放，任何人都可以不仅检查他们的工作，但即使是在 Beacon 上构建，创建自己的随机数生成器。 CURBy 可用于任何需要独立、公共随机数来源的地方，例如选择陪审团候选人、随机选择审计或通过公共抽签分配资源。 ：“我想构建一些有用的东西。 正是这个很酷的东西是基础科学的前沿，“Kavuri 补充道。 “NIST 是一个让您可以自由地追求项目的地方雄心勃勃，但也会给你带来一些有用的东西。