首 次實現器件無關量子隨機數

有望形成新的隨機數國際標準

●創(chuàng)新點

隨機數在科學研究和日常生活中都有著重要的應用。例如，天氣預報、新藥研制、材料設計、工業(yè)設計等領域，常常需要通過數值模擬進行計算，而數值模擬的關鍵就是要有大量隨機數的輸入；在游戲、人工智能等領域，需要使用隨機數來控制系統的演化；在通信安全、現代密碼學等領域，需要第三方完全不知道的隨機數作為安全性基礎。以往隨機數通常基于軟件算法實現或基于經典熱噪聲實現。軟件算法實現的隨機數本質上是確定性的，并不是真正的隨機。基于經典熱噪聲的隨機數芯片讀取當前物理環(huán)境中的噪聲，并據此獲得隨機數。然而，在牛頓力學的框架下，即使影響隨機數產生的變量非常多，但在每個變量的初始狀態(tài)確定后，整個系統的運行狀態(tài)及輸出在原理上是可以預測的，只是某種更難預測的偽隨機數。

量子力學的發(fā)現從根本上改變了這一局面，由于其基本物理過程具有經典物理中所不具有的內稟隨機性，因此可以制造出真正的隨機數。量子糾纏內稟隨機性就是量子疊加態(tài)測量塌縮的隨機性。量子糾纏也是一種量子疊加態(tài)，測量量子糾纏也會隨機塌縮，把這種量子測量的隨機性應用到器件里，就是量子隨機數發(fā)生器。然而，到目前為止，量子隨機數發(fā)生器尚有兩個漏洞需要關閉，即自由選擇漏洞和塌縮的定域性漏洞。中國科學技術大學潘建偉團隊長期從事量子力學基礎檢驗，針對這兩個漏洞，分別利用觀察者自主選擇和遙遠星體發(fā)光產生的隨機數，首次實現了器件無關的量子隨機數產生器。

●方法和結果

實現器件無關的量子隨機數產生器在實驗上具有極高的技術挑戰(zhàn)：整套隨機數產生裝置需要以極高的效率進行糾纏光子的產生、傳輸、調制、探測；同時，不同組件間需要設置合適的空間距離，才能以最高的安全性保證任何竊聽者都不能通過內部通信偽造貝爾不等式測試的結果。潘建偉研究團隊經過3年多的努力發(fā)展了高性能糾纏光源，首先優(yōu)化了糾纏光子收集、傳輸、調制等環(huán)節(jié)的效率，并采用上海微系統與信息技術研究所開發(fā)的高效率超導單光子探測器，實現了高性能糾纏光源的高效探測，然后通過設計快速調制并進行合適的空間分隔設計，滿足了器件無關的量子隨機數產生裝置所需的類空間隔要求。最終，在世界上首次實現了可以防御量子攻擊的器件無關量子隨機數發(fā)生器。

應用前景

該研究成果及后續(xù)研究工作將為密碼學、數值模擬以及需要隨機性輸入的各個領域提供真正可靠的隨機性來源。同時，由于可信任的隨機數源是現實條件下量子通信安全性的關鍵環(huán)節(jié)，器件無關隨機數的實現也進一步確保了現實條件下量子通信的安全性，為將來形成新一代的隨機數國際標準奠定基礎。

Source：Liu Yang, Zhao Qi, Li Ming-Han, et al. Device-independent quantum random-number generation[J/OL]. Nature, 2018. https://www.nature.com/articles/s41586-018-0559-3.