2.1　为什么需要随机数？

人类喜欢确定性。我们期望键盘上固定位置的按键代表的字母不会随时改变。但在某些场景下，我们也需要随机性，如下所示：

■ 玩游戏；

■ 模拟复杂的系统（如股票市场）；

■ 选择与安全有关的配置（例如密码和加密密钥）。

在需要随机性的所有场景下，我们可以描述每个结果出现的可能性。对于随机事件，我们只能描述可能性，直到掷出骰子（或抛出硬币）的一刻才能真正知道结果。在描述每个示例的可能性时，我们会这样说：

■ “如果”我掷出这个骰子，“那么”得到6的“概率”是1/6；

■ “如果”我抛出这枚硬币，“那么”得到正面的“概率”是1/2。

我们还可以描述不同结果概率不同的情况。在“幸运大转轮”中（见图2.2），“如果”我们转动轮子，“那么”会获得100万美元奖金的概率，要比“如果”我们转动轮子，“那么”什么也得不到的概率小得多。

正如同这种抽奖游戏，在计算机科学中，有许多情况下随机性是至关重要的，尤其是在需要安全性的时候。如果我们想保持一些信息的私密性，加密技术可以以不同的方式将数据与随机数相结合，从而实现目标。如果我们的随机数生成器不是很好（也就是说，如果攻击者可以预测我们用什么数字来保护私人数据），那么加密技术就没有什么用了。我们也可以想象，用一个差劲的随机数生成器来进行抽奖时，一个攻击者如果弄清了我们的随机数是如何生成的，就可以直接拿走所有奖金。

事实证明，量子力学可以让我们建立一些真正独特的随机性来源。如果我们正确地建立它们，那么结果的随机性是由“物理学”保证的，而不是基于计算机解决一个难题所需时长的假设。这意味着黑客或对手必须打破物理学定律才能破解安全问题！但这并不意味着我们应该将量子随机数用于一切事物，因为人仍然是安全基础设施中的薄弱之处 。

这给了我们一些信心，我们可以将量子随机数用于重要的任务，如保护私人数据、运营彩票，以及玩《龙与地下城》。模拟QRNG的工作原理可以让我们学习许多量子力学的基本概念，所以让我们马上开始吧！

如前所述，开始的好方法是阅读QRNG的程序案例。如果下面的算法（也显示在图2.3中）现在看起来不是太明白，请不要担心，我们会在本章的其余部分解释不同的部分：

1．要求量子设备分配一个量子位；

2．在量子位上应用一个名为“阿达马指令”的指令（本章后面会介绍该指令）；

3．测量该量子位，并返回结果。

在本章的其余部分，我们将开发一个名为QuantumDevice的Python类，编写实现类似这种算法的程序。一旦有了QuantumDevice类，我们就可以把QRNG写成一个Python程序，类似于我们常见的经典程序。

注意 关于如何在设备上设置Python以运行量子程序的说明，请参见附录A。

请注意，在你写完本章的模拟器之前，清单2.1中的示例无法运行 。

清单2.1　qrng.py：一个生成随机数的量子程序

def qrng(device : QuantumDevice) -> bool:　　◁---　量子程序的编写就像经典程序一样。在该例中，我们使用Python，所以我们的量子程序是一个 Python 函数 qrng，它实现了一个QRNG
    with device.using_qubit() as q:　　◁---　量子程序的工作原理是向量子计算硬件请求量子位，用来进行计算
        q.h()　　◁---　一旦我们有了一个量子位，就可以向该量子位发出指令。与汇编语言类似，这些指令通常用简短的缩写来表示。我们将在本章后面看到h()代表的内容
        return q.measure()　　◁---　为了从量子位那里获得数据，我们可以测量它们。这里，一半情况下，我们的测量将返回True，而另一半情况下，将返回False

就是这样！4个步骤，我们刚刚创建了我们的第一个量子程序。这个QRNG返回True或False。用Python术语来说，这意味着我们每次运行qrng都会得到一个1或者一个0。它不是一个非常复杂的随机数生成器，但它返回的数字是真随机的。

为了运行qrng程序，我们需要给这个函数提供QuantumDevice，从而提供对量子位的访问，以及实现不同的指令供我们向量子位发送。尽管我们只需要一个量子位，但作为开始，我们要建立自己的量子计算机模拟器。现有的硬件可以用来完成这个不大的任务，但我们后续要考虑的问题将超出现有硬件的范围。它将在本地笔记本计算机或台式机上运行，就如同实际的量子硬件一样。在本章的其余部分，我们会建立所需的不同部分，以编写自己的模拟器并运行qrng。 1zZ3wo6f/EiNmzIGBO147mNYu7rqfSlU5It0HTevLghkGpur/kT9pvJ30AJXpKJy