科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)“完美隨機(jī)”：連量子物理都不知道下一秒發(fā)生什么

如果我讓你隨便說(shuō)一個(gè)數(shù)字。

你可能會(huì)說(shuō)7。

為什么？

因?yàn)槿驘o(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，當(dāng)人類被要求“隨機(jī)”選擇一個(gè)數(shù)字時(shí)，7出現(xiàn)的頻率遠(yuǎn)高于平均值。

換句話說(shuō)，人類并不擅長(zhǎng)隨機(jī)。

事實(shí)上，不只是人類。

計(jì)算機(jī)也不擅長(zhǎng)。

甚至很多被稱為“隨機(jī)數(shù)生成器”的設(shè)備，本質(zhì)上也只是偽隨機(jī)。

它們看起來(lái)雜亂無(wú)章，但背后依然遵循某種規(guī)則。

而最近，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，卻試圖完成一個(gè)近乎哲學(xué)的問(wèn)題：

有沒(méi)有辦法制造出真正隨機(jī)的數(shù)字？

研究團(tuán)隊(duì)給出的答案是：

有。

而且他們認(rèn)為自己已經(jīng)第一次做到了。

相關(guān)論文發(fā)表于《Nature》。

隨機(jī)為什么這么重要？

很多人會(huì)覺(jué)得隨機(jī)數(shù)沒(méi)什么大不了。

實(shí)際上，現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)幾乎建立在隨機(jī)數(shù)之上。

你的銀行卡密碼。

微信支付。

HTTPS加密。

數(shù)字身份認(rèn)證。

區(qū)塊鏈。

彩票。

甚至軍事通信。

都需要大量隨機(jī)數(shù)。

因?yàn)榧用芟到y(tǒng)最怕的事情就是被預(yù)測(cè)。

假如某個(gè)黑客發(fā)現(xiàn)：

你的隨機(jī)數(shù)生成器其實(shí)更偏愛(ài)某些數(shù)字。

那么理論上，他就能縮小破解范圍。

密碼依然是密碼。

但安全性已經(jīng)開(kāi)始崩塌。

所以密碼學(xué)界有一句老話：

真正的安全來(lái)自不可預(yù)測(cè)。

問(wèn)題在于，真正的不可預(yù)測(cè)極其難實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)隨機(jī)數(shù)其實(shí)并不隨機(jī)

你電腦里的隨機(jī)數(shù)，大多數(shù)來(lái)自算法。

輸入一個(gè)種子。

運(yùn)行一串公式。

得到一大堆看起來(lái)毫無(wú)規(guī)律的數(shù)據(jù)。

這叫偽隨機(jī)數(shù)。

對(duì)于絕大多數(shù)用途已經(jīng)足夠。

但從嚴(yán)格意義上說(shuō)，它們并不隨機(jī)。

因?yàn)橹灰浪惴ê统跏紬l件。

理論上就能把未來(lái)全部推算出來(lái)。

就像彩票開(kāi)獎(jiǎng)機(jī)如果提前知道每個(gè)球的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。

結(jié)果依然是確定的。

只是你不知道而已。

于是科學(xué)家開(kāi)始尋找真正的隨機(jī)源。

他們盯上了量子世界。

因?yàn)榱孔恿W(xué)有一個(gè)非常特殊的特點(diǎn)：

某些事件在測(cè)量前根本沒(méi)有確定結(jié)果。

不是你不知道。

而是自然界自己也不知道。

比如一個(gè)電子的自旋。

測(cè)量之前，它可能同時(shí)處于多種狀態(tài)。

直到觀測(cè)發(fā)生。

結(jié)果才會(huì)出現(xiàn)。

這似乎天然就是隨機(jī)性的來(lái)源。

于是大量量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器誕生了。

但問(wèn)題很快出現(xiàn)。

即使使用量子系統(tǒng)。

設(shè)備本身依然可能存在偏差。

探測(cè)器效率不同。

電子噪聲干擾。

制造誤差。

環(huán)境影響。

這些因素都會(huì)偷偷帶來(lái)傾向性。

理論上隨機(jī)。

實(shí)際上可能仍然存在細(xì)微偏差。

這種偏差在日常生活里幾乎察覺(jué)不到。

但對(duì)于頂級(jí)加密系統(tǒng)而言，卻可能成為漏洞。

因此科學(xué)家一直追求一個(gè)目標(biāo)：

不是生成隨機(jī)數(shù)。

而是生成能夠被證明隨機(jī)的隨機(jī)數(shù)。

聽(tīng)起來(lái)像繞口令。

但這正是本次研究的核心。

這次實(shí)驗(yàn)到底做了什么？

研究團(tuán)隊(duì)使用了兩個(gè)超導(dǎo)量子比特。

你可以把它們理解成兩個(gè)極其脆弱的量子開(kāi)關(guān)。

為了避免互相作弊。

研究人員把它們放在相距30米的位置。

中間通過(guò)一根超低溫管道連接。

溫度接近絕對(duì)零度。

大約零下273攝氏度附近。

在這種環(huán)境下。

微波光子能夠在兩個(gè)量子芯片之間來(lái)回穿梭。

從而形成量子糾纏。

量子糾纏是現(xiàn)代物理最神秘的現(xiàn)象之一。

兩個(gè)粒子即使相隔很遠(yuǎn)。

依然會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)。

愛(ài)因斯坦曾經(jīng)把它稱為：

“幽靈般的超距作用”。

當(dāng)然。

這種關(guān)聯(lián)并不能超光速傳遞信息。

但它足以讓兩個(gè)量子系統(tǒng)表現(xiàn)出超越經(jīng)典物理的行為。

研究人員利用這種糾纏狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

關(guān)鍵的一步是：

他們故意讓兩個(gè)量子比特之間遠(yuǎn)到來(lái)不及通信。

即便光速傳播。

也來(lái)不及影響彼此結(jié)果。

這樣就堵死了所有經(jīng)典解釋。

如果依然出現(xiàn)關(guān)聯(lián)。

那么只能歸因于量子力學(xué)本身。

接下來(lái)出現(xiàn)了最聰明的一步。

研究人員沒(méi)有試圖從零開(kāi)始制造完美隨機(jī)。

他們反而先拿來(lái)一個(gè)并不完美的隨機(jī)數(shù)源。

這個(gè)隨機(jī)源本身帶有偏差。

然后利用量子糾纏產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

通過(guò)特殊算法進(jìn)行“隨機(jī)性放大”。

有點(diǎn)像凈水器。

進(jìn)去的是不夠純凈的隨機(jī)。

出來(lái)的是更高等級(jí)的隨機(jī)。

最終得到的0和1序列。

不僅通過(guò)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

更重要的是：

它們?cè)诶碚撋弦脖蛔C明無(wú)法預(yù)測(cè)。

這意味著什么？

過(guò)去我們經(jīng)常說(shuō)：

“這個(gè)隨機(jī)數(shù)看起來(lái)很隨機(jī)。”

現(xiàn)在研究人員說(shuō)：

“不，我們可以證明它隨機(jī)?！?/p>

兩者差別巨大。

前者是經(jīng)驗(yàn)判斷。

后者是數(shù)學(xué)證明。

就像以前我們覺(jué)得一把鎖很安全。

現(xiàn)在則可以證明：

在已知物理規(guī)律下，這把鎖不存在可利用漏洞。

研究負(fù)責(zé)人Renato Renner甚至表示。

他們的方法幾乎不需要額外計(jì)算。

因?yàn)殡S機(jī)性本身來(lái)自量子測(cè)量。

不是來(lái)自復(fù)雜算法。

相比傳統(tǒng)偽隨機(jī)數(shù)生成器。

計(jì)算成本幾乎可以忽略。

未來(lái)會(huì)有什么用？

最直接的應(yīng)用當(dāng)然是加密。

如果隨機(jī)數(shù)徹底不可預(yù)測(cè)。

那么密碼系統(tǒng)的安全性將進(jìn)一步提升。

除此之外。

數(shù)字身份認(rèn)證。

區(qū)塊鏈。

量子網(wǎng)絡(luò)。

電子投票。

彩票系統(tǒng)。

都可能受益。

研究團(tuán)隊(duì)甚至把它比作原子鐘。

原子鐘定義時(shí)間。

而這種系統(tǒng)未來(lái)可能定義隨機(jī)。

成為整個(gè)數(shù)字世界的基礎(chǔ)參考源。

不過(guò)更有意思的是背后的哲學(xué)意義。

幾百年來(lái)。

科學(xué)一直試圖尋找規(guī)律。

從牛頓到愛(ài)因斯坦。

從行星運(yùn)動(dòng)到原子結(jié)構(gòu)。

物理學(xué)最大的成功，就是讓世界變得越來(lái)越可預(yù)測(cè)。

但量子力學(xué)卻不斷告訴我們：

宇宙深處似乎存在真正的隨機(jī)。

不是因?yàn)槿祟悷o(wú)知。

不是因?yàn)閮x器不夠精密。

而是因?yàn)樽匀槐旧砭褪侨绱恕?/p>

這次實(shí)驗(yàn)最震撼的地方就在這里。

科學(xué)家花了幾十年時(shí)間。

最終證明了一件有些諷刺的事情：

在宇宙最深層的規(guī)則里，或許真的存在毫無(wú)規(guī)則的東西。

而這一次，他們第一次把這種“毫無(wú)規(guī)則”，變成了可以被驗(yàn)證、被證明、被利用的技術(shù)。

從某種意義上說(shuō)。

這可能是人類第一次真正握住了“隨機(jī)性”本身。

參考文獻(xiàn)

Kulikov, A., Storz, S., Sch?r, J. D., et al. (2026). Experimental randomness amplification. Nature, 653, 1033–1038. https://doi.org/10.1038/s41586-026-10521-8

ETH Zurich. (2026). Physicists achieve perfect randomness for the first time ever.

Renner, R., Wallraff, A., et al. Quantum Information and Cryptography Group, ETH Zurich. Experimental realization of certified randomness amplification.