你的手机相机，其实也是一台量子随机数发生器

物理学家近日发现了使用一台诺基亚 N9 智能手机来生成量子随机数的机制。这个发现将有可能对信息安全领域带来又一次重要的技术变革。

随机数字对你来说或许只是你突然想到的一组数字，但你不知道的是，随机数字对于每个人的工作和生活，都具有非常大的重要性。如果你在网上进行消费，或者使用某种密保设备来登录某个网络游戏，实际上你只是一套按顺序连贯的随机数字的使用者。

而 量子加密法 的诞生，将信息安全又提升到了新的高度。量子加密法能够提供几乎无法攻破的加密程度，不过同时也需要巨量的随机数字来工作。

但量子加密法现在仍然有难题未得以解决：「真正」的随机数字非常难以生成。量子随机数不能通过确定性流程生成，比如电脑程序。因为这种确定性的流程，可以通过重复生成已经生成过的数字，来轻易地被重新复制，毕竟整个流程不是随机的。

因此，物理学家花费了非常长的时间，来寻找使用非确定性流程来诞生真正的「随机」的数字的机制。目前，最高等级的加密技术就是量子随机数发生器——一种利用了量子机制的概率性，来生成一系列完全随机，或者说在目前随机性最好的数字。

不过别以为问题就此解决了：量子随机数发生器是一种非常复杂且昂贵的设备。物理学家的研究重心从找到一种方法，转变为找到更实惠的方法。

近日，瑞士日内瓦大学以 Bruno Sanguinetti 为首的一群研究者，发现了怎样 通过一款普通的智能手机来生成纯正的量子随机数的方法 。他们表示，这种新的技术将能够以每秒 1Mbps 的速率生成量子随机数，对于大部分安全应用场合来说绝对够用了。

而这个量子随机数的具体生成过程，复制了光源产生光子的过程。因为每一次的光子发生都是一个量子过程，因此瞬时的光子产生过程是完全无法被预测的。因此，光源在某段固定时间内能够产生的光子数量，是完全随机的。

以上就是这项新技术的基础。Sanguinetti 和他的同事指出，智能手机的摄像头技术，在近几年发展非常快，现在已经可以使用探测到的光子数量来界定量子变化。

他们使用了一台诺基亚 N9 作为测试机。这是一台拥有 800 万像素背照，并且运行诺基亚 Meego 操作系统的智能手机。并且，作为性能的比照，他们使用了一台单色 CCD 阵列式天文用相机——ATIK 383L 相机，同样拥有 800 万像素。

整个实验的设置在原理上相当简单：每一个像素能够感应在一段固定时间内光子经过的数量。这些光子随后被转化成电子，通过相机的 ISO 设置进行增强。

然后，研究人员直接计算电子产生的平均数量即可。考虑到光子放射出的数量是具有概率性的，产生的电子数量也将使随机的。由于光感阵列的像素是呈多行排列的，也就是说一张照片产生的随机数的量，将会是非常庞大的。

实际操作步骤：第一步，用绿色 LED 向镜头打光，用来界定光感水平（ISO）。通过这个步骤，团队可以了解点亮一个像素点所需要的光子量，并且调教设备，保证在正式进行量子随机数生成的时候不会发生完全点亮的现象（否则结果就不是随机的了）。

根据测试的结果，团队发现，点亮一个诺基亚手机照相机中像素点所需的电子（光子）数大约为 410 个，而作为比对的 ATIK 相机则需要大约 15000 个。而控制光子量的方法很简单——控制曝光时间。

好的，整个流程讲完了……

我们再复习一遍： 步骤 1，把一个能够均匀点亮所有像素点的 绿色 LED 对准镜头；步骤 2，按下快门键。然后，你就能够生成一大堆量子随机数了。

然而事情没说得这么简单。首先，界定一个随机数发生器是否真的随机，是非常难的事。为什么？你用什么理由和逻辑来证明一组数字是完全随机的呢？怎么证明呢？这是一个无法自证的问题。

不过 Sanguinetti 能够证明的是，这组数字已经非常接近随机。据他们的透露，在整个流程需要「10 的 118 次方」次的重复发生之前，将不会查出任何超越随机概率的事件发生。「假设全世界的所有人都以 1Gbps 的数据生成速率，来不间断地使用这个随机数发生器，想要找到超越随机事件之外的可循逻辑，将会需要 10 的 80 次方倍的宇宙迄今寿命的时间。」

那么一台每秒钟能进行多少兆亿次的计算机破解这个随机序列，需要多少时间？或许没人会在乎这个问题的答案……人们在乎的，是只要拥有一台智能手机，一个应用，人人都能生成数量几乎无穷尽的随机数字序列了。Sanguinetti 表示：「我们相信，如此一个效率之高，使用难度之低的随机数发生器，将会使得大范围的量子随机数使用成为现实。」

而该技术首先就可以被应用到安全领域当中。在密码编译学中有一条十分经典的概念，叫做科克霍夫原则，也称作公开密码算法。该原则规定，所有的算法都必须是公开的，而密钥承载的信息除外，必须保密。

应用方式非常之多，比如信用卡交易的随机密钥，还仅仅是开始。在 1Mbps 的数据传输速度下，从电子邮件到电话，都可以被量子随机数发生器进行加密。

说完了技术本身，来说说大环境。考虑到美国政府已经毫无顾忌、丧心病狂，监视和监听了整个世界长达数年之久，对于该种技术应用的需求应该是十分之广泛和迫切的。不过在未来，这种技术会否被政府监管，甚至禁止呢？这个问题的答案，现在谁也不知道。

来源： 康奈尔大学 、 Medium