滑动，滚动，颤抖，直到它静止。
没有人没见过骰子落下的那一刻。
公元前24世纪的一座中东古墓中发现了第一枚骰子，成为人类寻找随机序列的最早标记。
出生于18世纪法国的著名天文学家拉普拉斯认为客观规律和因果关系在自然界和人类社会中普遍存在，宇宙中的一切事物或事件都是并将永远是自然规律的结果。换句话说，凡事都有因有果。
力学决定论笼罩着经典力学，直到量子力学理论的出现，表明宇宙中的基本粒子在观测的瞬间坍缩到概率波的某个位置，这个“位置”的确定被认为是真正意义上的随机事件。
但爱因斯坦仍然认为，表现出纯粹随机性的量子力学只是另一种更高维的确定性理论的一部分。作为反驳，世人记住了“上帝不会掷骰子”这句话。
故事要追溯到戴斯。
事实上，即使把骰子从物理世界中抽象出来，变成一个质量和形状都一致的趋近于完美球体的无限多面体，也不能成为突破机械决定论的反例。即便如此，这并不妨碍很少有结构如此简单的物体具有如此深刻的形而上意义。
它是一个不完美的随机数生成器。
今天，从现代密码学、工业设计到人工智能，对随机数的需求无处不在。随着经典计算机的发展和量子计算机的出现，更多的随机数生成器不断出现，然后以更强大的计算能力暴露在规律面前，失去效用。寻找更完美的随机数发生器一直与前沿技术的突破并行前进。
澳大利亚国家天文台的研究团队近日在《爱思唯尔》杂志上发表了一项新研究。一种全新的随机数捕获方法出现了，并通过了NSP800标准。这个随机数发生器位于距离地球510光年的地方，是一颗脉冲星。
脉冲星会是完美的骰子吗？
脉冲星是一种高速旋转的中子星，因不断发出电磁脉冲信号而得名。由于其极快的自转速度(毫秒脉冲星速度可达每秒1000转)和极高的天体密度(最高可达每立方厘米10亿吨)，具有地球上实验室无法重现的极端物理性质。
其中一个最广为人知的特点就是脉冲星自转具有非常稳定的周期性，是自然界最精确的天文时钟。虽然消耗自转能量来弥补向外辐射能量的过程会使自转逐渐变慢，但变慢的速度非常小，周期稳定性可以达到10的负19次方——换句话说，一颗脉冲星的自转周期大约3170亿年后会变化一秒，比目前最稳定的氢脉泽高一万多倍。
此外，脉冲星辐射的许多特征表现出明显的随机性，可分为两类。第一类需要在更长的时间尺度上观测，比如脉冲星自转周期一年后的不规则变化；另一类可以直接观测到，比如每次脉冲辐射的亮度变化或者两次脉冲辐射之间脉冲形状或相位的变化。
每个脉冲的通量密度——即单位时间、单位面积、单位频率或单位波长接收到的辐射能量——是单次可直接观测到的脉冲星特征之一。
以往的研究已经证明，绝大多数脉冲星的通量密度分布遵循对数正态分布或幂律分布，但目前还没有一种物理理论能够准确预测单个脉冲的通量密度。也就是说，根据脉冲通量密度形成的序列的随机性，它具有良好的随机性潜力。
科学家利用这一点，将脉冲星的脉冲通量密度作为一种全新的随机数发生器。
在这项实验中，脉冲星PSR J0437-4715被选为观测对象，它距离我们510光年，自转周期为0.00575秒。
这颗脉冲星一段时间内通量密度的获取是由澳大利亚新南威尔士的帕克斯射电天文台独立完成的。研究人员透露了与观察相关的具体细节。数据采集于2020年3月30日凌晨。团队使用256MHz频段的512个通道进行记录，中心观测频率达到1369 MHz。
将得到的随机序列用三种不同的数据处理方法进行处理，然后投入到随机序列测试中，验证其是否符合真随机数标准。序列越长，其随机性被验证的可靠性就越高。这次观测的总时长为两个小时，相当于收集了这颗脉冲星连续发出的120万个脉冲信号。
研究人员选择SP800-22作为随机数的测试标准。由美国国家标准与技术研究所(NIST)发布的这套标准是世界上最高的随机序列接受标准之一。通过同时计算多个比特的数据，可以发现检测到的序列在周期性、相关性、分布特征等方面是否符合随机序列的特征，从而判断这个序列是否随机。
最终的数据表现非常理想，脉冲星通量密度形成的随机序列顺利通过了SP800-22的测试标准。
借助宇宙物体获得随机数，是通过物理现象获得随机数的方法之一。像骰子和扑克一样，pulsar可能被称为物理随机数生成器。研究团队在论文开头就强调了这一点。在脉冲星和随机数之间的相关性背后是另一个关注点。
随机性通常被认为是安全、隐私、信任和公平的基础。一旦随机数生成机制被攻破，任何加密方法都将不堪一击。
几年前，美国爱荷华州彩票公司被曝出，一名负责电脑彩票机设计和维护的安全部门主管在过去十年中通过篡改彩票机程序非法收受了200多万美元。计算机彩票机是用于产生彩票号码的随机数发生器。
在这种情况下，PVR协议(可公开验证的随机性)作为目前多方环境的解决方案出现。目前，最先进的PVR系统往往基于普通计算能力认为难以解决的数学问题，例如分解大整数或寻找离散对数。然而，随着近几十年来超级计算机计算能力的快速增长，人们发现随机数生成器的规则已经从天方夜谭变成了隐忧。继超级计算机之后，在计算能力上对前者无异于降维攻击的量子计算机正在进入市场。
“只要是基于数论，对于量子计算机来说，一切都不是问题。”
随机数真实性之争
基于真实的物理世界，或者基于计算机和数学模型，两者将随机数分为“真”和“假”。
伪随机数是指计算机内部生成的随机数，比如下面Google提供的伪随机数生成器。
在这个系统中，从计算机主板上选取内存中定时器或计数器的值作为“种子”，这是第一个开始这个操作并产生随机序列的多米诺骨牌。但这里的问题是生成随机数序列的递推公式是可预测的，也就是说当输入的随机数种子相同时，输出的随机数序列会相互对应，这种随机性伴随着紧密的映射关系。
真随机数是指物理世界中出现的随机数。与伪随机数发生器相比，真随机数发生器需要满足一个优于算法实现的要求——不可复制性。即当生成器两次接收到相同的输入操作时，仍然会生成两个不同的随机序列。
Dice是最容易理解的真随机数生成器之一。如果把“掷骰子”粗略地看成是同一个输入值，连续掷出十次是一个随机序列，那么一个人掷出三组(概率大)就会得到三个不同的随机序列，这是不可复制的。
在物理世界中，利用原子的热运动是寻找真随机数的可靠方法之一。
所有温度高于绝对零度的原子都有热运动，而这些热运动的一个副产品就是会在电路中产生噪声。噪声会引起电路中微弱的电压波动，CPU内置的真随机数发生器通过放大这些电路中的热噪声来产生随机数。
与基于算法的伪随机数发生器相比，真随机数发生器的物理环境更加复杂，涉及的变量也更多，这就导致了它优越的随机性。即便如此，在经典力学的范围内，只要确定了所有变量的初始状态，系统仍然按照一种确定性原理运行，这样得到的随机序列自然是可预测的。
换句话说，基于热噪声的随机数发生器区别于“伪”随机数，很大程度上是因为这种综合的“输入值”太难测量，仍然不是最理想的随机序列。在最严格的假设环境下，最理想的真随机数发生器只能在经典物理之外具有内在随机性的量子力学中找到。
另一个意思:穿越PVR
从这个角度来看，当人类能够完全掌握脉冲星的天体特性时，后者在理论上就不会是一个完美的真随机数发生器，这就不可避免地导致了拉普拉斯决定论——如果你知道此刻宇宙中所有基本粒子的位置和速度，你就知道了宇宙中将要发生的所有事情。
所以研究团队已经满足了通过用脉冲星捕获随机数的NSP800的要求，还有一个更现实的考虑。研究小组试图利用遥远的脉冲星来完全跨越PVR的协议标准。Pulsar可能是最简单和最直接的可公开验证的随机数生成器。
随机数生成中可公开验证的随机性可以分为五个要求:
可得性：没有任何一方可以封锁信号源，并且任何人都可以在任何时间使用这个信号源。不可预测性：没有任何一方可以预测未来的随机序列。
不可变性：没有任何一方可以影响未来的随机序列。
可公开验证性：任何一方都可以核对已经生成的随机序列的正确性。
无第三方：不需要另外的可信服务器来启动或管理随机数生成器。
如前所述，脉冲星的单脉冲通量密度无法预测，地球上的研究人员无法影响数百亿光年之外的脉冲星或遮蔽脉冲信号。所以最重要的一点在于“公共可验证性”。
在测试实验中，研究团队设置了另一个脉冲星PSR J0953+ 0755，这是为了验证“公共可验证性”，即同一随机数发生器产生的同一随机序列能否由两个不同方向的观测设备得到。帕克斯天文台的另一台参考射电望远镜是田燕FAST ，位于8000公里外的中国贵州。
从实验结果来看，两台射电望远镜同时指向相似的观测结果。
自1964年冯·诺依曼发明取平方法以来，先选择一个随机数种子，再通过复杂算法生成序列的逻辑一直没有改变。1997年，一个来自硅谷的团队发明了硬件随机数生成器LavaRand。与之前依赖电脑的逻辑不同，Lavarand使用网络摄像头拍摄熔岩灯。来自相机的图像数据是真实的熵源，能以165kb/s的速率产生随机数，随机数发生器开始接入真实的物理世界。
统计学家弗朗西斯·高尔顿于1890年在《自然》杂志上表达了他对骰子的喜爱。“在所有产生随机数的东西中，没有比骰子更好的了”。
“当它们在容器中不断晃动、相互碰撞、猛烈撞击容器壁时，它们在容器中的出现是完全不可预测的。这时候再摇一摇，一切又打乱了。”
三十年后，对宇宙的探索带来了新的灵感。人类第一次把目光聚焦在脉冲星上，寻找完美的骰子。这项研究表明，即使通过研究单个可观察的性质，也可以为随机序列的研究提供许多选择。未来，研究团队可能会尝试改变观测到的目标特征，将到达时间抖动和噪声等其他脉冲星特征纳入测试。
在这个无边无际的骰盅里，透入其中的光还是太少，所以每一次主动的探索都格外迷人。
*参考:来自脉冲星的可公开验证的物理随机性
作者|油醋
电子邮件| zhuzheng@pingwest.com
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