全世界的科學家都在尋找純隨機性，有何大用？

你乘坐州際公路回家，依靠自來水公司喝一杯，但你是否覺得需要一些公開的隨機性？世界各地的政府和研究人員認為，你可能會認為，你正在進行一些項目，以產生隨機性的公共資源或「信標」。從量子物理實驗到任何擁有筆記本電腦的人都可以參與的分散式項目，一系列的努力旨在給你的指尖帶來隨機性。公開可用的隨機性有助於確保網路安全、自由選舉和公平的移民做法——甚至可能有助於解決有關宇宙本質的深層次問題。

博科園-科學科普：但是，產生這些公眾可以信任的隨機信標（安全的、真正隨機的數字）帶來了巨大挑戰，讓研究人員進入量子領域乃至更遠的領域，尋找根本無法預測的現象。這就是為什麼科學家們把隨機性看作是一種公共事業，以及他們是如何為了你而把事情搞得一團糟。

我們都經歷過它，但可能不知道它到底是什麼：隨機性是指系統中的無序程度和不可預測性。美國國家標準與技術研究院(NIST)領導量子實驗的物理學家Krister Shalm說：確實，純隨機性從根本上是不可預測的。例如，如果你一直觀察一個真正的隨機數來源，隨著時間的推移，得到任何給定數字的幾率是相同的(隨機性與相關術語熵略有不同，熵是一種無序的數值度量)。

為什麼有人想要增加世界的混亂？康涅狄格三一學院(Trinity College)的計算機科學家Ewa Syta說：事實證明，公開的隨機性來源可以幫助完成許多任務，從保護複雜的密碼學到在網路遊戲中洗牌。

圖片：Shutterstock

公共隨機性被用於任何一種需要某種方式來做出決定的系統中……在你希望以公平的方式就事情達成一致的地方做任何事情。基本上，公共隨機性給你的是一種實現均勻拋硬幣的方法。耶魯大學(Yale University)計算機科學家費希爾(Michael Fischer)說：這些項目的公共部分保證了多方可以驗證和信任這一拋擲。不僅信標的輸出是免費的，底層方法和輸出文檔也是公開的。想要的選擇不受那些有特定議程的人的影響。

然而，創建這些熵或隨機性信標的公共「龍頭」是極具挑戰性的。這些信標對它們的混亂使用了各種各樣的來源，從物理過程如光子發射或地震隆隆聲，到通過加密轉換提供的長串推文。然而無論源是什麼，beacon生產者都有相似的目標：輸出應該是不可預測的、自治的和一致的(這意味著不同的用戶可以期望從beacon得到相同的隨機字元串)。後兩個特性極大地影響了信任和可用性，第一個問題涉及隨機性的核心。這個問題是，你怎麼知道一個東西是不是真的是隨機的，這是一個非常深奧和困難的問題。

關鍵是不可預測性，雖然自然界中的許多事物看起來都很混亂，但它們幾乎總是有一些潛在的結構或秩序，理論上，人們可以用它們來進行預測。這使得尋找真正隨機的（根本不可預測的）數字異常困難。比如，想想橄欖球比賽中的拋硬幣遊戲，一個隨機的圖標。如果你確切地知道裁判對硬幣施加了多大的壓力，當它在空中翻轉時，有多少湍流與它相互作用，你就能準確地預測它將如何著陸。NIST運行隨機信標項目的計算機科學家雷內佩拉爾塔(Rene Peralta)說：類似的批評幾乎適用於任何基於物理過程的隨機數字發生器，基於軟體的發電機也可以預測，因為它們遵循演算法。

公共信標發射

儘管存在這些困難，科學家們仍在努力創造隨機性的公共資源。今年7月，NIST發布了其隨機信標的生產實例，該版本計劃無限期維持。該服務每分鐘廣播512位(或計算機數據單位)的隨機字元串，輸出時間戳和簽名。新「2.0版」使beacon的輸出與其他來源相結合更加容易，為用戶增加了必要的安全性。現在用戶可以將NIST的隨機比特輸出與智利政府同樣在7月發射的信標和巴西計劃在2019年發射的信標進行合併。這樣的話，即使有人篡改了一個源來影響(從而預測)其輸出，合併後的波束仍將是不可預測的。對於大多數人來說，僅僅使用NIST的信標就可以了，但對於高價值的應用程序來說，即使是最輕微的攻擊也可能是一個問題。

比如託管大額彩票或選擇監測選舉機器。一個影響NIST輸出的黑客可以預測彩票結果，或者如果NIST單獨提供隨機性，哪些投票機將被測試。NIST信標比大多數信息系統更安全，因為它不導入數據，而且位置安全。但由政府資金和資源支持的內部人士或攻擊者可能會解決所有這些問題。信息加密等安全協議也經常使用隨機性，這些協議還需要保證不會被篡改。可以使用公共隨機性，例如，在訪問加密消息時，可以使用公鑰和私鑰來證明身份。Syta和其他研究人員正在開發另一種系統，該系統也能解決干擾問題：這些信標從多個「分散式」源中獲取熵，這些源位於不同的位置，由不同的組織或個人控制。分散式模型仍處於測試階段，但它們也將解決一個與安全相關的問題：對政府的不信任。

NIST的研究人員開始在量子領域尋找熵源。量子力學的核心是一個隨機理論。德克薩斯大學奧斯汀分校量子信息中心(Quantum Information Center at the University of Texas at Austin)主任斯科特?阿隆森(Scott Aaronson)說：例如，你無法準確預測特定的放射性原子何時衰變——只有一種可能性。「量子力學……說事情是隨機發生的」，你無法準確預測將要發生什麼——你只能預測概率。因此，目前NIST信標部分依賴於一個基於量子的隨機數發生器，這種裝置可以測量衰減激光器產生的光子到達時間，這種激光器會隨機發射光子(你可以把這種激光想像成一個變窄的水龍頭，但對光線來說就不一樣了)。

NIST信標將這種輸出與商業隨機數發生器的生產相結合，後者依賴於電子電路雜訊而非量子特性，將熵與數學變換相結合。與此同時，智利的beacon利用了這個地震多發國家的地震數據以及Twitter上的信息。連成一長串的推文「相當不可預測，因為你事先不知道人們會說什麼」。密碼哈希縮小了這些長字元串，去掉了語言的結構特徵，產生了「幾乎一致隨機的」東西。分散式模型可以從在筆記本上運行熵產生程序的個人和從私有公司(如Cloudflare)中提取熔岩燈的隨機性)中提取隨機性。該公司拍攝了一面牆的高解析度照片，這些照片顯示的是燈管移動、無序的圖案。

當這些信標接近純粹的隨機性時，它們的創造者設想了多種進一步的用途。任何需要決策的，公平的，都是公共隨機性的好應用。這可能意味著選擇強力球贏家或選擇陪審團——甚至是在網路遊戲中洗牌。更重要的是，由於NIST的beacon保持檔案(在一個安全的類似區塊鏈的結構中)，它可以幫助政府證明他們的移民行為是公平的。例如美國多元化移民簽證計劃(又稱綠卡抽籤)，將簽證發放給美國移民人數歷史較低的國家，從這些地區隨機選擇潛在的接收人。然而有人可能會指責這個所謂的隨機程序存在偏見，例如對穆斯林的偏見。但如果你選擇(彩票中獎者)時使用的是我們這樣的外部隨機性，那麼你就無法做出這樣的論證，政府可以參考這些檔案。

最近對美國投票機的黑客攻擊表明了另一個應用程序的重要性：隨機測試。從邏輯上講，選舉監督員不能檢查每一台投票機是否被篡改，因此他們必須進行抽查。但如果黑客能夠預測哪些機器將被檢查，這些代理就可以簡單地篡改其他機器。輸入隨機性信標，它可以選擇不可預知的子集進行測試。無論這項技術的應用如何，這些燈塔最酷的地方在於它們將深入的科學辯論變成了公共產品。愛因斯坦曾與尼爾斯·玻爾等人就量子力學中關於自然是隨機的暗示發生過著名爭執，愛因斯坦說：上帝不會擲骰子。我們正在把愛因斯坦稱之為bug的東西變成一種功能，宇宙是隨機的，這沒什麼，這裡面有很多有趣的東西

博科園-科學科普｜文：Michael Dhar/Live Science

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