量子力學在真正的隨機數生成方面取得了重大突破！

彼得?比爾霍斯特（Peter Bierhorst）的機器絕對談不是最頂尖的設計。這台生成光子的龐然大物坐落於美國國家標準與技術研究所（NIST）建在落基山脈的一處科研設施，塞滿了整棟建築物。它的激光器、反射鏡和透鏡分別放在三個實驗室，兩個實驗室分別位於這棟L形建築物的兩端。整套系統用幾乎900英尺長的光纖連接起來。這位數學家解釋：「這是一個原型系統。一旦哪裡慢慢偏離了軌道，整套系統就會停止運行。可能需要好幾天才能搞清楚哪裡出了岔子。」

正常情況下，這台機器每10分鐘生成1024比特的數據，相當於每分鐘輸入13個字母。但它有望做連胡亂敲打字機的猴子都做不到的事情：生成完全隨機的文本。

這比你想像的要重要得多。加密協議（比如在網上保護你的信用卡信息和加密電子郵件的協議）依賴一長串隨機數。這個隨機數越難猜中，安全性就越高。

但是這些數字常常不如你希望的那麼隨機。ID Quantique是一家製造商業隨機數生成器的瑞士公司，首席執行官格雷瓜爾?里博迪（Grégoire Ribordy）說：「外頭好多論文表明，由於密鑰的隨機性不夠強，密碼很脆弱，不堪一擊。」一些設備實際上使用演算法生成的數字對信息進行加密，這意味著如果你猜中演算法，數字是完全可以預測的。其他隨機數生成器可能會將電雜訊（比如電壓的微小波動）轉換成一串串數字。但隨著時間的推移，這些生成器會出現性能降級，最終生成出現一定模式的數字。（敲鍵的猴子也會出現一定模式，這取決於手指的相對長度和QWERTY鍵盤的布局。）而任何可識別的模式都是安全風險。

這就是為什麼幾年前，比爾霍斯特的團隊決定開發一種完全隨機的數字生成器。在密碼學領域，這意味著「無法預測的數字」，里博迪說。那麼什麼是隨機的？量子力學。

這麼說吧，即使你通過以下步驟來重複量子試驗：準備初始狀態完全相同的量子粒子，讓它處於完全相同的條件，在同樣的時間段之後測量它的方向，到頭來仍可能得到完全不同的結果。這不像拋擲硬幣：硬幣的初始條件（拇指的力量和風向）在落地之前決定了結果。 「翻轉」一個微小量子粒子的結果在它「落地」之前只是概率上存在。電子、光子和原子其實都是隨機的。

這幾年來，像里博迪公司這樣的公司出售的量子隨機數生成器基於光子。編碼方案可能變得複雜，但或多或少，面向一個方向的光子表示1，面向另一個方向的光子表示0。然而，這類產品仍存在一個潛在的漏洞。人員或物體（比如環境雜訊）可能會滲入到機器，將偏差插入到光子的狀態，因而破壞了其完美的隨機性。里博迪表示，用戶無法證明這些生成器是隨機的。

於是比爾霍斯特的團隊著手設計一種能證明自身隨機性的機器。這涉及大量數學原理。比爾霍斯特利用一種名為貝爾不等式（Bell』s inequality）的量子力學定理，設計了一種測試來證明有沒有任何東西可以對光子做手腳，從而引入模式或偏差。每當你生成一個數字就可以進行這個測試，它會生成一個數字，確切地告訴你是否有人對代表性光子做了手腳。

他們增加了一項額外的特性來嚴格證明數字生成器的隨機性：某人若想對輸出數字做手腳，還得對一個實驗室中的檢測器做手腳，同時向另一個檢測器面前的其他人發信號，表明他們所做的操作。

這就是為什麼他們把機器做得如此龐大。黑客要以比光速更快的速度發送信息，向機器的兩端發信號，但根據物理定律，這是不可能的。他們的機器生成用光子編碼的隨機信號，沒有什麼能篡改光子，除非它的傳播速度比光還快。

里博迪表示，目前還不清楚這台機器是否最終可以上市銷售。眼下太昂貴了，需要昂貴的冷卻系統，它還很龐大。為了加密，他們還需要更快地生成隨機數。比爾霍斯特表示，最終，要是可以大幅縮小尺寸、裝到晶元上，那就好了：每筆記本電腦中都有隨機數生成器，那樣誰都不會再使用那些基於演算法的數字用於加密了。

不過在NIST，他不擔心這項技術的商業化。相反，他們想把它變成一項公共服務：一種在線的、政府運行的、可靠的隨機數生成器。

從2013年開始，他們實際上提供該服務的測試版，名為NIST Randomness Beacon。它每分鐘生成一個512比特的隨機數，目前基於商業隨機數生成器，但他們希望很快能將比爾霍斯特的機器做入到該系統。

由於這些隨機數是公開的，它們無法用於加密。但負責該服務的NIST計算機科學家勒內?佩拉爾塔（Rene Peralta）表示，各國政府有興趣使用隨機數生成器來防止腐敗。比如說，佩拉爾塔正與智利政府合作，打算利用Randomness Beacon用於開展政府審計工作。他們希望用隨機數來公平地選擇要審計哪些官員，這也會幫助他們避免被指控共謀。巴西政府也有興趣利用隨機數向法官分配法庭案件，旨在向公民表明司法系統的公正性。

不過對於比爾霍爾斯特來說，隨機數生成器不僅僅是一種實用的工具。他的測試進一步證明量子力學粒子確實以奇怪的概率存在，而且無法預先確定。他說：「隨機性存在於宇宙中，這令人興奮。」

而現在，我們也許可以使用這種隨機性來保障我們的數字命運。

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