摘要：确定性现象是指在一定条件下，必然发生的现象。例如，太阳从东边升起，水从高处往低处流。只要条件明确，结果就是唯一且确定的。我们的祖先首先理解和掌握的正是这些规律，从而获得了认识世界、预测未来的安全感和掌控感。
确定现象和随机现象
你的安全感来自哪里，确定，还是随机？
我们所处的世界从现象上可以划分为确定性现象与随机现象两大类。
确定性现象是指在一定条件下，必然发生的现象。例如，太阳从东边升起，水从高处往低处流。只要条件明确，结果就是唯一且确定的。我们的祖先首先理解和掌握的正是这些规律，从而获得了认识世界、预测未来的安全感和掌控感。
随机现象是指在基本条件不变的情况下，每一次试验或观察可能出现不止一种结果，并且在试验前无法准确预言究竟会出现哪一种结果的现象。掷一枚公正的骰子，可能是1至6点中的任意一面朝上；明天是否会下雨，即使有气象数据支撑，也无法做出100%肯定的断言。人们慢慢发现，不可预测性不是例外，而是世界运行的一种常态。
对规律的渴望往往源于安全感——掌握规律意味着能够预测未来并规避风险。一些敏锐的观察者注意到：单个随机事件虽不可预测，大量重复后却会显现出惊人的统计规律，概率论由此萌芽，这一学科最初起源于对赌博问题的研究。据传16世纪的意大利数学家卡尔达诺在记录骰子结果发现，各点数出现的频率逐渐趋向均等。赌徒们也因此意识到，长期获胜的关键并非依靠“运气”，而是掌握背后的概率规律。
人们为什么要主动生成随机数？
为了研究和利用这种规律，人们将随机事件的结果转化为数字和符号。例如，骰子的点数抽象为1至6；抽签的吉凶用“0/1”表示。这个过程诞生了最早的随机数——它们是无法预测、但概率分布已知的数字序列。
最初，随机现象的是为了理解和解释世界。而后，人们开始主动生成随机数，用于模拟随机、公平决策和游戏设计等用途，这反映出人类探索未知的追求，也满足了我们在公平、安全等多层面的深层需求。
在日常生活中，我们常常会遇到看似随机的现象。比如抛硬币，结果似乎完全不可预测，但在经典物理的眼光里，这其实只是表面随机，而不是真正的根源性随机。如果我们能够精确掌握硬币的初始速度、角度和空气阻力，就能完全计算出它是正面还是反面。而且大量抛硬币的结果会给出一定的统计规律。
▲来自网络
与此不同，计算机程序里生成的“随机数”则属于伪随机，因为它们来源于确定的算法和初始条件，看起来杂乱无章，实际上只要知道规则，也能完全复现。真正意义上的随机基本上只有在量子层面才出现，例如一个放射性原子在何时衰变，或者单个光子穿过双缝时落在屏幕上的位置，这些结果没有任何潜在规律可循，即使掌握了全部初始条件，也无法预测，只能用概率来描述。也正因为如此，量子物理为人类提供了独一无二的“真随机性”，而这正是它和经典世界之间最根本的差别之一。
此外，利用电子元件的热噪声放大处理后产生的随机数可看作真随机数。自然大气过程（主要是雷暴中的闪电放电）引起的无线电噪声也可以用来生成高质量的随机数。著名网站Random.org就使用大气噪声提供真随机数生成服务。
可是利用物理现象产生（真）随机数太慢了，很多时候需要在使用场景和成本之间做权衡，对一般科学计算、趣味游戏，使用算法生成的伪随机数就够用了。而涉及到安全密钥、公平抽签、大额彩票等情况，必须要使用真随机数。
量子随机数是真随机数吗？
根据量子力学原理产生的随机数是真随机数，这是因为量子力学本质上是概率性的。经典随机性的根源是信息不完全，而量子随机性则是自然界内在的不可预测性，这就是两者的本质区别。（在目前的物理理论框架下，量子力学被认为是根本概率性的，因此量子随机数被广泛视为‘真随机’。但这并不排除未来可能出现更深层的理论。）
不确定原理是量子力学中的一个基本概念：一对互补变量（如粒子的位置和动量）无法同时被精确测量Δx · Δp ≥ ℏ/2。就算我们完全了解系统的状态、使用完美的测量设备，测量结果仍然无法预测。
量子力学内禀的概率特性，从量子力学理论发展的初期就一直深深困扰着爱因斯坦等物理学家。爱因斯坦坚信“上帝是不会掷骰子的(God does not play dice)”，围绕“掷or不掷 骰子”的论题，他和玻尔争论了几十年。爱因斯坦认为量子力学是不完备的，不确定性是由理论的不完备带来的，应该存在着一个更完备理论，量子力学只是该理论的近似。
爱因斯坦还和波多尔斯基、罗森共同提出EPR悖论，质疑量子力学的完备性，并由此引出“量子纠缠”的概念，引发了对量子非定域性和纠缠现象的深入探讨。为了搞清楚爱因斯坦与玻尔到底谁说的对，约翰·贝尔提出一种用实验检验量子随机性的方法——如果爱因斯坦正确，测量结果应满足一个不等式。至此，关于“上帝是否掷骰子”的争论，终于从哲学思辨走向了实验可检验的阶段。
贝尔的理论提出之后的几十年中，世界各国的众多科研小组进行了大量的实验，量子力学和量子随机性经受住了相关的实验检验。
如何产生量子随机数
量子随机数生成器（QRNG）是一种利用量子力学原理生成真正随机数的设备。
基于量子叠加态的随机坍缩。光子路径选择是很直观的生成随机数的方案。让单光子源向分束器发射光子，每次发射一个光子。该光子会以50%的概率透射或反射。用单光子探测器在反射和透射路径上探测光子。如果透射路径上的探测器接收到光子，则电路记录一个二进制 “0”，如果反射路径探测器接收到光子，则电路记录一个二进制 “1”，这样就能生成由0和1构成的随机序列。这个过程源于量子力学的随机性，无法被任何理论预测。
▲光子路径选择生成随机数
基于量子隧穿效应。薛定谔的猫思想实验中的放射性衰变即是一种量子隧穿过程，该机制可被视为一种原理性的随机源。然而，由于存在安全与监管方面的限制，如今已较少直接使用放射性材料产生随机数。当前更常见的做法是利用半导体中的量子隧穿效应，例如采用共振隧道二极管或范德瓦尔斯异质结等结构来实现随机数生成。
▲基于电子隧穿效应的QRNG原理示意图
基于量子纠缠。2018年科学家团队在发展高品质纠缠光源和高效率单光子探测器件的基础上，利用量子纠缠的内禀随机性，在国际上首次成功实现器件无关的量子随机数。相关研究成果发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。
器件无关的意思是，安全的量子随机数可以仅仅通过输入、输出数据进行产额的检验和计算、以及最终随机数的生成，与实验器件（以及谁制造的设备）无关。如果不小心采用了恶意第三方制造的器件，可能会发生随机数泄漏，器件无关量子随机数发生器能确保在使用不信任第三方的器件的情况下，也可以产生真随机数且不会泄漏。这类随机数发生器被认为是安全性最高的随机数产生装置。“器件无关”好比是你不需要完全信任做签的那个人，只要验证抽签结果的统计规律，就能保证抽签的公平性。
为什么这样产生的随机数具有“器件无关”这个特性呢？这又不得不提到先前贝尔提出的不等式以及后续的贝尔实验检验了。贝尔实验与量子内禀随机性存在着深刻的内在联系，贝尔实验的检验可以从根本上排除定域确定性理论，从而实现不依赖于器件的量子随机数。
在网站上，我们可以体验到同款器件无关量子随机数。看起来以后它还能帮我们决定等会儿吃什么……
用器件无关量子随机数来点餐还是有点“大材小用”了。小编我还是想自己选，在吃饭问题上，确定更能给我带来安全感。
虽然吃什么、去哪里玩等“小事”用不上高质量的随机数，但在面对预报天气、研制新药、设计新材料、仿真计算、人工智能研究、开展保密通信等“大事”的时候，安全、稳定、真正的随机数是必需的。从手机支付到网络加密，从科学模拟到人工智能，几乎所有现代科技的背后，都离不开可靠的随机数。我们期待量子随机数早日“量产”，让各个领域有需求的人们都能用上真正可靠的随机数。
来源：昕樾聊科学