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🔥【科学家建"量子随机数工厂"！全球首个可验证的真随机源开放！】
美国国家标准与技术研究院 (NIST) 及其科罗拉多大学博尔德分校 (University of Colorado Boulder) 的合作伙伴共同构建了世界上首个利用量子纠缠来产生可验证随机数的随机数生成器！
这项名为科罗拉多大学随机性信标 (CURBy) 的服务作为免费公共服务进行广播，可以在任何需要独立、公开随机来源的场合派上用场，例如筛选陪审团候选人或通过公开抽签分配资源。
CURBy 采用了一种由 NIST 开发的名为 Twine 的协议。该协议允许对信标数据进行溯源、验证，并保护其免遭篡改。
💡 为什么需要真随机？
随机性极其有用。人们常常抽签、掷骰子或抛硬币来做出公平选择。随机数能让审计员进行完全无偏的抽样。同时，随机性也是安全的关键：如果密码或代码是一串无法猜测的随机数字，就更难被破解。我们今天的许多密码系统都使用随机数生成器来产生安全的密钥。
💡 但你如何知道一个随机数是真的随机？
传统计算机算法只能产生伪随机数，而了解算法或系统细节的人可能对其进行操纵或预测下一个数字。就像精通手法的专家可以操纵硬币抛掷结果一样，即使是最小心的硬币抛掷也可能存在偏见；经过足够的研究，其结果是可预测的。
“真正的随机性是指宇宙中没有任何事物可以提前预测的东西。” NIST 物理学家克里斯托·沙姆 (Krister Shalm) 说。即使随机数生成器使用了自然界看似随机的过程，也很难验证这些数字是真正随机的。
💡 爱因斯坦错了？量子力学带来真随机！
爱因斯坦认为自然界不是随机的，他那句名言是：“上帝不掷骰子。”然而，科学家们已经证明爱因斯坦错了。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，沙姆及其团队已经将这种真正的量子随机性来源转化为一种可追溯、可认证的随机数服务。他们的成果刚刚发表在《自然》杂志上。
“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，“我们真的很想把这个实验带出实验室，将其转变为一项有用的公共服务。”
💡 CURBy：量子信标如何运作？
为了达成目标，NIST 的研究人员与其科罗拉多大学博尔德分校的同事共同创建了 CURBy。CURBy 每天自动生成随机数，并通过网站广播供任何人使用。
[图片描述：一个标有“新鲜量子随机数生成器”的方形设备，带有各种电线和连接器。位于 NIST 博尔德实验室的量子随机数发生器仪器设备。图片署名：NIST]
这项服务的核心是由 NIST 运行的贝尔测试，它能提供真正随机的输出。这种随机性作为一种“原材料”，被研究团队的装置进一步“提炼”成信标发布的随机数。
贝尔测试测量成对的“纠缠”光子。即使相隔遥远距离，这些光子的属性也是相互关联的。当研究人员测量单个粒子时，结果是随机的，但成对粒子的性质却比经典物理学所允许的更具关联性，这使研究人员能够验证其随机性。爱因斯坦称这种量子非定域性为“鬼魅般的超距作用”。
这是首个将量子非定域性作为数字来源的随机数生成服务，也是迄今为止最透明的随机数源。因为这些结果是可认证的，并且其可追溯性达到了前所未有的程度。
💡 里程碑式的成就
“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巨大的里程碑。” 沙姆解释道，“这些随机比特的质量和来源可以直接被认证，这是传统随机数生成器无法做到的。”
NIST 在 2015 年完成了最早的一项完整贝尔实验，这有力地确立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个真正随机源的方法。
然而，将这些量子关联转化为随机数是一项艰巨的工作。NIST 首次突破性地演示贝尔测试，需花费数月时间来设置设备才能运行几个小时，并需要大量时间收集足够的数据来生成 512 比特的真正随机性。沙姆和团队在过去几年中致力于使实验装置稳固并能自动运行，以便按需提供随机数。在最初运行的 40 天内，该协议在 7454 次尝试中成功产生了 7434 次随机数，成功率达 99.7%。
“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。” — 克里斯托·沙姆 (Krister Shalm)，NIST 物理学家
💡 从量子纠缠到可验证随机数
该过程始于在一块特殊的非线性晶体内部产生一对纠缠光子。这些光子通过光纤传送到大厅两端的独立实验室。一旦光子到达实验室，它们的偏振态会被测量。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 将数百万次这样的“量子抛硬币”结果传递到科罗拉多大学博尔德分校的一个计算机程序。通过特殊的处理步骤和严格的协议，量子测量纠缠光子的结果被转化为 512 位的随机二进制代码（0 和 1）。最终产生的是一系列没有人（甚至包括爱因斯坦）能够预测的随机比特。从某种意义上说，这个系统就像是宇宙中最好的抛硬币装置。
NIST 及其合作者增加了追踪和验证随机数生成过程中每一步的能力。他们开发了 Twine 协议，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。Twine 协议用哈希值标记信标的每一组数据。哈希值在区块链技术中用于为数据集打上数字指纹，使每个数据块都能被识别和审查。
💡 "编织"信任的图景
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) 解释道，Twine 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哈希图 (hash graph)，创建一个由众人贡献但不被任何个体控制的“随机性网络”。
将这些哈希链交织起来充当时间戳，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 Twine 协议参与者能立即发现对数据的篡改。
“Twine 协议让我们能将所有其他信标编织成一幅信任的图景。” 帕尔弗里补充道。
💡 开放、实用且雄心勃勃
将复杂的量子物理问题转化为公共服务正是这项工作的魅力所在。项目研究生高塔姆·卡武里 (Gautam Kavuri) 表示，整个过程是开源的，向公众开放。这不仅允许任何人核查他们的工作，甚至能基于该信标构建自己的随机数生成器。
CURBy 可以在任何需要独立、公开随机来源的地方使用，例如选择陪审团候选人、随机抽查审计或通过公共抽签分配资源。
“我想创造一些有用的东西。这是一件很酷的事，是基础科学的前沿。” 卡武里补充说，“NIST 是一个能让你自由追求既雄心勃勃又能带来实用成果的项目的地方。”
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