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量子力学在真正的随机数生成方面取得了重大突破!

2018-04-12 22:29 云头条

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。


这比你想象的要重要得多。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。

要有思想准备,发表在《自然》杂志上的这篇论文(https://www.nature.com/articles/s41586-018-0019-0.epdf?referrer_access_token=qJYsG1wV0QFp2s0T5WkQmdRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0M6dAblDiBCWUIXz1C-5hlRrkMg_7Sfy9-mFux-b18ictRyq8NQkdMW_af2goubqfNIWI9X4NRlfBYQHFEwsNVkt8ndP7fNqole2isePP7bC729sinHLeRIOqQmJAhWsUO6hDO8Q3rXtHKyjaN28RvSHjPmv578eBv6hlhmQ_LxwS-aU478AdiWbzu_T7jHwHCtmRJ_IEBDT7WFdjNw--Bp&tracking_referrer=www.theregister.co.uk)不是一般人都看得懂的。


 
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