苏黎世联邦理工学院科学家终于获得一个真正随机数，并证明这一点

每次有人试图创建牢不可破的密码或发送私密消息时，他们都必须信任一个数字。这个数字本应是计算机完全随机生成的。然而，遗憾的是，没有任何计算机能够真正保证这个数字的随机性。直到现在。

为了获得真正随机的数字，瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学家们转向了量子世界。他们可以证明，他们的方法所产生的数字确实是随机的（出错的概率极小）。

一个经过验证的随机数可以帮助加密保护私人数据。原因如下：加密的工作原理是使用一个秘密的“密钥”将私人信息转换成一段乱码。密钥由一个随机数生成。如果这个随机数确实是随机的，那么没有密钥就无法解密信息。但是，如果它并非完全随机，黑客就可以找出其中的规律并重构密钥。这样一来，原本被加密的信息就会暴露出来。

解释：量子是超微观世界。

“当随机性较弱时，由此生成的密钥就变得容易猜测。攻击者可以将原本需要数十亿年才能完成的工作缩短到实际可行的程度，”大卫·霍尔茨曼解释道。换句话说，原本可能耗时超过宇宙年龄的猜测游戏，现在计算机只需几个月或几年就能完成。

霍尔茨曼并未参与这项新研究。不过，他对这类事情并不陌生。他曾在美国国家安全局担任密码学家，现在经营着一家名为Naoris Quantum Protocol的网络安全公司。

这项新研究引用了一些真实案例，在这些案例中，弱随机性让攻击者窃取了私人数据——并提出了一种新的解决方案。

一张绵羊照片分别使用弱随机数（中间）和苏黎世联邦理工学院最新认证的随机数（右侧）进行加密。只有真正的随机数才能将图像彻底打乱，使其无法辨认。

苏黎世联邦理工学院

解决偏见问题

普通计算机无法生成真正的随机数，因为这些机器的设计初衷是可预测的。在普通计算机中，相同的初始条件应该总是产生相同的结果。为了生成“随机”数，这些设备使用公式和一个称为“种子”的初始数。虽然结果看起来是随机的，但实际上只是某种程度上的随机。

科学家称之为伪随机性。为什么呢？如果有人猜中了种子，他们就能重建计算机生成“随机数”的整个步骤序列。这将破解旨在安全掩蔽数据的编码。

但量子世界提供了一个天然的解决方案。“量子”一词描述的是我们宇宙中最小的事物，例如微小的粒子。在这个微观粒子的领域，物理过程实际上是随机的。事实上，研究人员已经利用量子设备来产生随机性。但迄今为止，没有任何用于捕捉这种随机性的设备是完美的。一些微小的硬件缺陷导致结果无法达到完全随机。

这段视频解释了三种类型的随机生成数字，以及为什么只有量子随机数生成才能产生真正的随机数，而真正的随机数对于保证数据安全至关重要。

过去，研究人员曾尝试制造更好、偏差更小的设备。苏黎世联邦理工学院的研究团队找到了一种不同的方法：一个即使设备本身存在缺陷也能正常工作的双部件系统。物理学家雷纳托·雷纳解释说，该装置的关键在于同时在两个不同的地点进行两项实验。这样就避免了一项实验的结果直接影响另一项实验。

把这些分割实验想象成两个橡胶球。这两个球看起来一样，但每个球的表面都有各自细微的瑕疵。这些独特的瑕疵使每个球都略微偏向某一方向，从而导致它们弹跳的次数有所不同。由于每个球都是单独制作的，所以它们的瑕疵彼此之间没有任何关联。

同样，苏黎世联邦理工学院的两台设备各自产生带有自身偏差的随机数。但由于这两台设备是分开的，它们输出的偏差完全无关。雷纳的团队收集了这两项实验的结果，然后将结果结合起来。为此，他们使用了一种叫做随机性提取器的工具。

该提取器本身并不能使两个实验的输出完全随机。相反，它会同时分析两个输出，然后使用数学公式将它们结合起来。由于每个设备生成的随机数的缺陷彼此无关，因此将它们结合起来可以抵消这些缺陷。最终结果是真正不可预测的。

在苏黎世联邦理工学院的实验中，研究团队使用了两个相距30米（约100英尺）的量子器件。这样的距离确保了即使信号以光速传播，在产生各自的结果之前，信号也无法在它们之间传递。这保证了一个器件的输出不会影响另一个器件。

苏黎世联邦理工学院的两台量子设备之间由一根30米（100英尺）长的管道隔开。这一距离确保在测量过程中，任何信号，即使是光速传播的信号，都无法在它们之间传递。

Kilian Kessler/苏黎世联邦理工学院

每个设备都测量了量子事件的结果，例如光子穿过分光装置。将两个设备的结果都输入随机性提取器，可以增加每个设备中原有的随机性。

Renner 的研究小组于 5 月 27 日在《自然》杂志上描述了他们是如何做到这一点的。

通过“贝尔测试”

妮可·永格·哈尔彭（Nicole Yunger Halpern）表示，证明随机性非常困难，她并未参与这项新研究。“我们只能通过证明任何可能的攻击都无法破坏随机数生成器来验证其有效性，”这位量子物理学家解释道。她就职于位于马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究院。

为了确认提取器输出的结果真实可靠，苏黎世联邦理工学院的研究团队采用了一种名为贝尔测试的方法。这种物理学测试可以证明量子力学实验的结果并非伪造或预先设定。

通过这项测试意义重大。团队不必再相信他们的设备完美无缺。设备可能存在隐藏缺陷，或者被人暗中篡改过。但无论如何，它都无法伪造出完全相同的模式。这种模式只能是真实且不可预测的量子行为所致。

科学家称这种验证方式为“设备无关性验证”。其确定性来源于测试本身，无需盲目信任设备或测试装置。

2025年，纽约摩根大通的刘敏钊领导的团队声称他们生成了“经过认证的随机数”。然而，他们的说法基于一个重要的前提：他们假设任何经典计算机（即非量子计算机）都不可能拥有足够强大的能力来复制他们的结果。（否则，使用普通计算机的黑客最终可能会猜到或预测出该团队生成的随机数。）

伦纳表示：“我们的研究结果对预测随机性的人的能力没有任何限制。” 因此，他声称这是首次在现实世界中证明，自然界的量子随机性可以转化为完全随机的事物。伦纳和他的同事在2012年首次提出了这个想法。如今，他帮助证明了这个想法是正确的。