你乘坐州际公路回家，依靠自来水公司提供的水喝。但你是否觉得需要一些公开的随机性?

 

世界各地的政府和研究人员都认为，随着一些项目的开展，你可能会产生随机性的公共资源或“信标”。从量子物理实验到任何人都可以用笔记本电脑参与的分布式项目，各种各样的努力都旨在为你的指尖带来随机性。

 

公开可用的随机性有助于确保网络安全、自由选举和公平的移民做法，甚至可能有助于解决有关宇宙本质的深层问题。但是，制造这些随机信标——公众可以信任的安全、真正随机的数字——带来了巨大的挑战，促使研究人员进入量子领域，甚至超越量子领域，杏耀注册寻找根本无法预测的现象。这就是为什么科学家把随机性看作是一种公共事业——以及他们是如何为了你而把事情弄得一团糟的。

 

什么算随机?

 

我们都有过这样的经历，但可能并不知道它到底是什么:随机性是一个系统中无序和不可预测性的程度。的确，纯粹的随机性从根本上是不可预测的，美国国家标准与技术研究所(NIST)量子实验负责人、物理学家克里斯托·沙尔姆说。例如，如果你永远观察一个真正随机数字的来源，随着时间的推移，你得到任何给定数字的几率都是一样的。(随机性与相关术语熵略有不同，熵是无序的一种数值度量。)

 

为什么有人想增加世界的混乱?康涅狄格三一学院(Trinity College)的计算机科学家埃瓦·西塔(Ewa Syta)说，事实证明，随机性的公共来源可以帮助完成许多任务， 杏耀主管 ，从保护复杂的密码学到在网络游戏中洗牌。

 

Syta在接受Live Science采访时表示:“公共随机性被用于……任何需要某种方式做出决定的系统……做任何事情都需要某种公平的方式来达成共识。”“基本上，公共随机性给你的是一种实现公平抛硬币的方法。”

 

耶鲁大学(Yale University)的计算机科学家迈克尔费舍尔(Michael Fischer)说，这些项目的公共部分保证了多方可以核实并信任这一决定。费舍尔曾为政府的一个新的随机指标提供咨询。信标的输出不仅是免费可用的，而且底层方法和输出的存档也是公开的。

 

费舍尔说:“你想要的选择不受有特定议程的人的影响。”

 

令人惊讶的是难以捉摸的随机性

 

然而，创建这些熵或随机信标的公共龙头是极具挑战性的。这些信标使用各种各样的源来解释它们的混乱，从光子发射或地震轰鸣等物理过程，到通过密码转换输入的长串tweet。但是，无论源是什么，信标生成器都有类似的目标:输出应该是不可预测的、自主的和一致的(这意味着不同的用户可以期望从信标中获得相同的随机字符串)。后两个特性极大地影响了信任和可用性。根据NIST的说法，第一个解决了随机性的核心问题。

 

“这个问题，你怎么知道什么是真正随机的，这是一个非常深刻和困难的问题，”Shalm告诉Live Science。

 

关键在于不可预测性，他说。虽然自然界中的许多事物看起来是混沌的，但它们几乎总是有潜在的结构或秩序，理论上，人们可以用它们来做出预测。这使得找到真正随机的——从根本上说不可预测的——数字异常困难。沙尔姆说，举个例子，想想足球比赛中的抛硬币游戏，那是随机性的象征。“如果你确切地知道裁判对硬币施加了多大的压力，以及硬币在空中翻转时，有多少湍流与硬币相互作用，你就能准确地预测出硬币将如何着陆，”他说。

 

Shalm说，类似的批评也适用于(几乎)任何基于物理过程的随机数生成器。计算机科学家勒内佩拉尔塔(Rene Peralta)说，基于软件的生成器也可以预测，因为它们遵循算法。佩拉尔塔正在为NIST运行一个随机性信标项目。

 

尽管存在这些困难，科学家们仍在努力创造随机性的公共来源。今年7月，NIST发布了随机信标的生产实例，该版本计划无限期维护。该服务每分钟广播512位(即计算机数据的单位)的随机字符串，输出带有时间戳和签名。

Peralta说，新的“2.0版”使得将信标的输出与其他来源相结合变得更加容易，为用户增加了必要的安全保障。现在，用户可以将NIST的随机比特输出与智利政府今年7月推出的信标(beacon)和计划于2019年推出的巴西信标(beacon)合并。佩拉尔塔说，这样一来，即使有人篡改了一个光源来影响(从而预测)它的输出，合并后的光束仍然是不可预测的。

 

佩拉尔塔说，对大多数人来说，只使用NIST的信标就可以了。但对于高价值的应用程序来说，即使是最微小的攻击可能性也可能是一个问题，比如主办一场大额彩票或选择选举机器进行监控，他说。影响NIST输出的黑客可以预测彩票结果，或者如果NIST单独提供随机性，将测试哪些投票机。

 

“NIST信标比大多数信息系统更安全，”因为它不导入数据，而且位于一个安全的位置，佩拉尔塔说。但佩拉尔塔补充说，得到政府资金和资源支持的内部人士或攻击者可能会安然度过这一切。

 

安全协议，如消息加密，也经常使用随机性，这些也需要防止篡改的保证。例如，在访问加密消息时，可以使用公共随机性进行身份验证，在这种情况下，您可以同时使用公钥和私钥来证明您的身份，Syta说。

 

Syta和其他研究人员正在开发另一种系统，也可以解决篡改问题:这些信标从多个“分布式”信息源获取熵，这些信息源位于不同的位置，由不同的组织或个人控制。Syta说，分布式模型仍处于测试阶段，但它们也将为注重安全的人解决一个相关问题:对政府的不信任。

 

随机性在哪里?

 

NIST的研究人员开始在量子领域寻找熵源。量子力学的核心是一种随机理论。例如，你不能准确地预测一个特定的放射性原子什么时候会衰变——只有一个概率，德克萨斯大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·阿伦森写道。

 

“量子力学……说事情是随机发生的，”沙姆说。“你无法准确预测将要发生什么——你只能预测概率。”

 

因此，目前的NIST信标部分依赖于一个基于量子的随机数生成器;沙尔姆说，这种设备测量衰减激光产生的光子的到达时间。(他说，把这束激光想象成一个变窄的水柱，但对于光来说。)NIST信标将这种输出与商业随机数发生器的生产相结合，后者依赖于电子电路噪声而非量子特性，通过数学变换提高了组合熵。

 

与此同时，智利的灯塔利用了这个地震多发国家的地震数据，以及Twitter上的消息。佩拉尔塔说，串在一起的长串推文“相当难以预测，因为你不知道人们会说什么”。他说，密码散列压缩了这些长字符串，消除了语言的结构特征，产生了“几乎一致随机的”东西。

 

分布式模型可以从笔记本电脑上运行产生熵的程序的个人，以及像Cloudflare这样从熔岩灯中提取随机性的私营企业中提取随机性。该公司拍摄了一组高分辨率的照片，照片上的一面墙上的灯具图案变幻莫测，杂乱无章。

 

把量子漏洞变成特性

 

当这些信标接近纯粹的随机性时，它们的创造者设想了更多的用途。西塔说:“任何需要公平决策的事情，都是公共随机性的一个很好的应用。”这可能意味着选择强力球赢家或选择陪审团——甚至在网络游戏中洗牌。

 

佩拉尔塔说，更重要的是，由于NIST的beacon保存了一个档案(在一个安全的、类似区块链的结构中)，它可以帮助政府证明他们的移民做法是公平的。例如，美国多元化移民签证计划(U.S. Diversity immigration Visa program，又称绿卡抽签)向美国移民人数处于历史低位的国家的人发放签证，从这些地区随机选择潜在的移民接受者。然而，有人可能会指责这个所谓的随机程序存在偏见，比如对穆斯林的偏见，佩拉尔塔说。

 

说，“上帝不掷骰子。”

 

“我们正在把爱因斯坦所说的bug变成一种特性，”沙姆说。“宇宙是随机的，这没有关系。从中产生了一些有趣的东西。”

他表示:“但如果你使用像我们这样的外部随机因素来挑选(彩票得主)，那么你就无法得出这样的结论。”政府可以只引用存档。

 

佩拉尔塔说，最近攻击美国投票机的企图显示出另一种应用程序的重要性:随机测试。从逻辑上讲，选举监督员不能检查每台投票机是否有舞弊行为，所以他们必须进行抽查。但是，如果黑客能够预测哪些机器将被检查，这些代理就可以简单地篡改其他机器。进入随机信标，杏耀手机客户端它可以选择不可预测的子集进行测试。

 

不管应用程序是什么，这些信标最酷的部分是，它们把深刻的科学辩论变成了公共产品，Shalm说。众所周知，阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)等人就量子力学中“自然是随机的”这一含义不和