你帶着州際公路回家，依靠自來水公司喝一杯。但你有沒有覺得需要一些公開的隨機性？
世界各地的政府和研究人員認為，你可以通過工程中的項目來產生隨機性的公共資源或“信標”。從量子物理實驗到分佈式項目，任何擁有筆記本電腦的人都可以幫助生產，廣泛的努力旨在為您的指尖帶來隨機性。
公開提供的隨機性有助於確保在線安全，自由選舉和公平的移民實踐 - 甚至可以幫助解決有關宇宙本質的深層問題。但是，產生這些隨機性信標 - 公眾可以信任的安全，真正隨機的數字 - 帶來了巨大的挑戰，將研究人員帶入量子領域以及更遠的地方尋找根本上不可預測的現象。這就是為什麼科學家將隨機性視為一種公共事業 - 以及他們如何為了你而弄亂。
什麼算作隨機？
我們都經歷過它，但可能並不確切知道它是什麼：隨機性是系統中無序和不可預測的程度。真正的隨機性從根本上是不可預測的，物理學家Krister Shalm説，他是美國國家研究所的量子實驗的負責人標準與技術（NIST）。例如，如果您永遠觀察到真正隨機數的來源，那麼隨着時間的推移，獲得任何給定數字的幾率將是相同的。（隨機性與相關術語熵略有不同，熵是無序的數值度量。）[11個最美的數學方程]
為什麼有人想增加世界上的混亂？事實證明，隨機性的公共來源可以幫助完成許多任務，從保護複雜的密碼學到在線遊戲的洗牌卡，康涅狄格州三一學院的計算機科學家Ewa Syta説。
“公共隨機性被用於......任何需要某種方式做出決定的系統......做任何你想要一些公平的方式來達成一致的事情，”Syta告訴Live Science。“基本上，公共隨機性給你的是一種實現公平拋硬幣的方法。”
耶魯大學計算機科學家邁克爾菲舍爾（Michael Fischer）曾就一個隨機性的新政府燈塔進行諮詢，他説，這些項目的公共部分保證了多方可以驗證和信任這種折騰。信標的輸出不僅可以免費獲得，而且基礎方法和輸出的檔案也是公開的。
“你想要的選擇不受具有特定議程的人的影響，”菲舍爾説。
令人驚訝的難以捉摸的隨機性
然而，創建這些熵的公共插頭或隨機信標是極具挑戰性的。這些信標使用各種各樣的信號源，從光子發射或地震隆隆等物理過程，到通過密碼轉換提供的長串推文。然而，無論來源是什麼，信標生產者都有類似的目標：輸出應該是不可預測的，自主的和一致的（意味着不同的用户可以期望從信標獲得相同的隨機字符串），NIST表示。後兩個特徵極大地影響了信任和可用性。根據NIST的説法，第一個解決了隨機性的核心問題。
“那個問題，你怎麼知道某些東西是否真的是隨機的，這是一個非常深刻和困難的問題，”Shalm告訴Live Science。
他説，關鍵是不可預測性。雖然自然界中的許多事物看起來很混亂，但它們幾乎總是具有潛在的結構或秩序，理論上，這些結構或命令可用於進行預測。這使得發現真正隨機 - 從根本上是不可預測的 - 數字非常難。例如，Shalm説，想想一個足球比賽的硬幣投擲，這個隨機性的圖標。“如果你確切地知道裁判在硬幣上施加了多大的壓力，並且當它在空中翻轉時，有多少湍流與之相互作用，你就可以準確地預測這個東西將如何着陸，”他説。
Shalm説，類似的批評適用於（幾乎）任何基於物理過程的隨機數發生器。基於軟件的生成器也可以預測，因為它們遵循算法，正在為NIST運行隨機信標項目的計算機科學家Rene Peralta説。[存在的9個最大的數字]
公共信標發佈
儘管存在這些困難，科學家仍在努力創造隨機性的公共來源。今年7月，NIST發佈了其隨機信標的生產實例，這是一個計劃無限期維護的版本。該服務每分鐘廣播512位或計算機數據單元的隨機字符串，輸出帶有時間戳和簽名。
Peralta表示，新的“2.0版本”可以更容易地將信標輸出與其他來源相結合，為用户增加了必要的安全性。現在，用户可以合併NIST的隨機比特輸出，例如智利政府在7月推出的信標，以及計劃在2019年推出的巴西版本。這樣，即使有人篡改了一個來源影響（從而Peralta説，預測其輸出，合併後的光束將無法預測。
Peralta説，對大多數人來説，單獨使用NIST的燈塔就可以了。但即使是最輕微的攻擊可能也可能是高價值應用的一個問題，例如舉辦大筆彩票或選擇選舉機器進行監控，他説。影響NIST輸出的黑客可以預測彩票結果，或者如果NIST單獨提供隨機性，則可以測試哪些投票機。
Peralta説：“NIST Beacon比大多數信息系統更安全，因為它不會導入數據並且處於安全的位置。”但是，由政府資金和資源支持的內部人員或攻擊者可以完成所有這些工作，Peralta補充道。
安全協議（例如消息加密）也經常使用隨機性，這些也需要保證不被篡改。Syta表示，公共隨機性可用於訪問加密消息時的身份驗證，使用公鑰和私鑰證明您的身份。
Syta和其他研究人員正在開發替代系統，這些系統也將解決篡改問題：這些信標從位於不同位置並由不同組織或個人控制的多個“分佈式”來源中汲取熵。Syta表示，分佈式模型仍處於測試階段，但它們也將解決與安全人士相關的問題：對政府的不信任。
隨機性在哪裏？
NIST的研究人員開始在量子領域尋找熵源。Shalm説，量子力學的核心是隨機理論。例如，德克薩斯大學奧斯汀分校量子信息中心主任斯科特·亞倫森寫道，你無法準確預測特定放射性原子何時會衰變 - 只是一個概率。[扭曲的物理學：7個令人振奮的發現]
“量子力學......説事情是隨機發生的，”Shalm説。“你無法預測究竟會發生什麼 - 你只能預測概率。”
因此，當前的NIST信標部分依賴於基於量子的隨機數發生器;Shalm説，這種裝置可以測量衰減激光產生的光子的到達時間，它可以隨機發射光子。（想想這種激光就像一個狹窄的水龍頭，但對於光線，他説。）NIST信標將這種輸出與商業隨機數發生器的生產相結合，後者依賴於電子電路噪聲而不是量子特性，增加了組合熵。數學變換。
與此同時，智利的燈塔利用了地震多發國家的地震數據以及推特信息。Peralta説，長串串聯的推文“非常不可預測，因為你不知道人們會説些什麼。”加密哈希縮小了這些長字符串，消除了語言的結構特徵，產生了“非常均勻隨機”的東西，他説。
分佈式模型可以從在筆記本電腦上運行熵產生程序的個人和來自私人公司的個人中獲取隨機性，例如Cloudflare，它從熔岩燈中提取隨機性。該公司拍攝了高分辨率的照片，這些照片是一盞燈的移動，無序模式。
將量子錯誤轉化為特徵
由於這些信標接近純粹的隨機性，他們的創造者設想了多種進一步的用途。“任何需要決策的東西，公平隨意，都是一個很好的應用，”Syta説。這可能意味着挑選強力球贏家或選擇陪審團 - 甚至在網絡遊戲中洗牌。
Peralta説，更重要的是，因為NIST的燈塔保存檔案（採用安全的，類似鏈的結構），它可以幫助政府證明他們的移民實踐是公平的。例如，美國多元化移民簽證計劃，即綠卡抽籤，向美國移民歷史最低的國家的人們頒發簽證，從這些地區隨機選擇潛在的收件人。但是，Peralta説，有人可能會指責據稱隨意的偏見計劃，例如針對穆斯林。
“但是如果你選擇像我們這樣的外部隨機來源的[彩票中獎者]，那麼你就無法做出這種説法，”他説。政府可以參考檔案。
Peralta説，最近破解美國投票機的嘗試表明了另一種應用的重要性：隨機測試。從邏輯上講，選舉監督員無法檢查每台投票機是否被篡改，因此他們必須進行抽查。但是，如果黑客可以預測哪些機器將被檢查，那些代理商可以簡單地篡改其他機器。輸入隨機信標，可以選擇不可預測的子集進行測試。
Shalm説，無論應用是什麼，這些信標中最酷的部分是他們將深入的科學辯論轉變為公共產品。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）與尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）和其他人一起對量子力學的影響着名，他們認為自然是隨意的，愛因斯坦説，“上帝不會玩骰子。”
“我們正在接受愛因斯坦所謂的錯誤並將其變成一個特徵，”Shalm説。“宇宙是隨機的，沒關係。有很多有趣的東西都來自於此。”