量子力学在真正的随机数生成方面取得了重大突破

彼得?比尔霍斯特（Peter Bierhorst）的机器绝对谈不是最顶尖的设计。这台生成光子的庞然大物坐落于美国国家标准与技术研究所（NIST）建在落基山脉的一处科研设施，塞满了整栋建筑物。它的激光器、反射镜和透镜分别放在三个实验室，两个实验室分别位于这栋L形建筑物的两端。整套系统用几乎900英尺长的光纤连接起来。这位数学家解释：“这是一个原型系统。一旦哪里慢慢偏离了轨道，整套系统就会停止运行。可能需要好几天才能搞清楚哪里出了岔子。”

正常情况下，这台机器每10分钟生成1024比特的数据，相当于每分钟输入13个字母。但它有望做连胡乱敲打字机的猴子都做不到的事情：生成完全随机的文本。

这比你想像的要重要得多。加密协议（比如在网上保护你的信用卡信息和加密电子邮件的协议）依赖一长串随机数。这个随机数越难猜中，安全性就越高。

但是这些数字常常不如你希望的那么随机。ID Quantique是一家制造商业随机数生成器的瑞士公司，首席执行官格雷瓜尔?里博迪（Grégoire Ribordy）说：“外头好多论文表明，由于密钥的随机性不够强，密码很脆弱，不堪一击。”一些设备实际上使用算法生成的数字对信息进行加密，这意味着如果你猜中算法，数字是完全可以预测的。其他随机数生成器可能会将电噪声（比如电压的微小波动）转换成一串串数字。但随着时间的推移，这些生成器会出现性能降级，最终生成出现一定模式的数字。（敲键的猴子也会出现一定模式，这取决于手指的相对长度和QWERTY键盘的布局。）而任何可识别的模式都是安全风险。

这就是为什么几年前，比尔霍斯特的团队决定开发一种完全随机的数字生成器。在密码学领域，这意味着“无法预测的数字”，里博迪说。那么什么是随机的？量子力学。

这么说吧，即使你通过以下步骤来重复量子试验：准备初始状态完全相同的量子粒子，让它处于完全相同的条件，在同样的时间段之后测量它的方向，到头来仍可能得到完全不同的结果。这不像抛掷硬币：硬币的初始条件（拇指的力量和风向）在落地之前决定了结果。 “翻转”一个微小量子粒子的结果在它“落地”之前只是概率上存在。电子、光子和原子其实都是随机的。

这几年来，像里博迪公司这样的公司出售的量子随机数生成器基于光子。编码方案可能变得复杂，但或多或少，面向一个方向的光子表示1，面向另一个方向的光子表示0。然而，这类产品仍存在一个潜在的漏洞。人员或物体（比如环境噪声）可能会渗入到机器，将偏差插入到光子的状态，因而破坏了其完美的随机性。里博迪表示，用户无法证明这些生成器是随机的。

于是比尔霍斯特的团队着手设计一种能证明自身随机性的机器。这涉及大量数学原理。比尔霍斯特利用一种名为贝尔不等式（Bell’s inequality）的量子力学定理，设计了一种测试来证明有没有任何东西可以对光子做手脚，从而引入模式或偏差。每当你生成一个数字就可以进行这个测试，它会生成一个数字，确切地告诉你是否有人对代表性光子做了手脚。

他们增加了一项额外的特性来严格证明数字生成器的随机性：某人若想对输出数字做手脚，还得对一个实验室中的检测器做手脚，同时向另一个检测器面前的其他人发信号，表明他们所做的操作。

这就是为什么他们把机器做得如此庞大。黑客要以比光速更快的速度发送信息，向机器的两端发信号，但根据物理定律，这是不可能的。他们的机器生成用光子编码的随机信号，没有什么能篡改光子，除非它的传播速度比光还快。

里博迪表示，目前还不清楚这台机器是否最终可以上市销售。眼下太昂贵了，需要昂贵的冷却系统，它还很庞大。为了加密，他们还需要更快地生成随机数。比尔霍斯特表示，最终，要是可以大幅缩小尺寸、装到芯片上，那就好了：每笔记本电脑中都有随机数生成器，那样谁都不会再使用那些基于算法的数字用于加密了。

不过在NIST，他不担心这项技术的商业化。相反，他们想把它变成一项公共服务：一种在线的、政府运行的、可靠的随机数生成器。

从2013年开始，他们实际上提供该服务的测试版，名为NIST Randomness Beacon。它每分钟生成一个512比特的随机数，目前基于商业随机数生成器，但他们希望很快能将比尔霍斯特的机器做入到该系统。

由于这些随机数是公开的，它们无法用于加密。但负责该服务的NIST计算机科学家勒内?佩拉尔塔（Rene Peralta）表示，各国政府有兴趣使用随机数生成器来防止腐败。比如说，佩拉尔塔正与智利政府合作，打算利用Randomness Beacon用于开展政府审计工作。他们希望用随机数来公平地选择要审计哪些官员，这也会帮助他们避免被指控共谋。巴西政府也有兴趣利用随机数向法官分配法庭案件，旨在向公民表明司法系统的公正性。

不过对于比尔霍尔斯特来说，随机数生成器不仅仅是一种实用的工具。他的测试进一步证明量子力学粒子确实以奇怪的概率存在，而且无法预先确定。他说：“随机性存在于宇宙中，这令人兴奋。”

而现在，我们也许可以使用这种随机性来保障我们的数字命运。