潮科技 | 中国科学家在国际上首次实现器件无关的量子随机数

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  近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、范靖云、马雄峰等与中国科学院上海微系统与信息技术研究所和日本 NTT 基础科学实验室公司商务合作 ,在发展高品质纠缠光源和高下行速率 单位单光子探测器件的基础上,利用量子纠缠的内禀随机性,在国际上首次成功实现器件无关的量子随机数。相关研究成果于北京时间9月20日夜晚在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。这项成果将在数值模拟和密码学等领域得到广泛应用,有望形成新的随机数国际标准。

  编者按:本文来自微信公众号“中科院之声”(ID:zkyzswx),来源为中国科学技术大学 、 中国科学院上海微系统与信息技术研究所,36氪经授权转载。

  随机数在科学研究和日常生活中否是着重要的应用:类式于,天气预报、新药研发、新材料设计和核武器研制等领域,常常可不上能通过数值模拟进行计算,而数值模拟的关键已经 要有少许随机数的输入;在游戏和人工智能等领域,可不上能使用随机数来控制系统的演化;在通信安全和现代密码学等领域,则可不上能第三方详细谁能谁能告诉我的随机数作为安全性的基础。

  以往通常有两类获取随机数的途径:基于软件算法实现或基于经典热噪声实现。软件算法实现的随机数是利用算法根据输入的随机数种子给出均匀分布的输出。然而,对于选折 的输入,固定的算法将给出选折 的输出序列,从其他深度1上来说,类式于于随机数本质上是选折 性的,暂且真正随机。基于经典热噪声的随机数芯片读取当前物理环境中的噪声,并据此获得随机数。类式于于装置相对于基于软件算法的实现,已经 环境中的变量更多,已经 更难预测。然而在牛顿力学的框架下,即使影响随机数产生的变量非常多,但在每个变量的初始情况选折 后,整个系统的运行情况及输出在原理上是可不上能预测的,已经 其他类装置也是基于选折 性的过程,已经 有五种更难预测的伪随机数(pseudo random number)。量子力学的发现从根本上改变了其他局面,已经 其基本物理过程具有经典物理中所不具有的内禀随机性,从而可不上能制发明权权真正的随机数(true random number)产生器。

  量子力学其他内禀的概率特性,从量子力学理论发展的初期就时不时深深困扰着爱因斯坦、薛定谔和温伯格等物理学家。爱因斯坦坚信“上帝是不用掷骰子的”(God does not play dice),他认为一定处在着另1个 更高的选折 性理论,量子力学已经 该理论的近似,而量子力学的内禀随机性则已经 已经 我们都我们都我们都 歌词 歌词 不了解其他理论而带来的误解。爱因斯坦和薛定谔等人提出了量子纠缠的概念,试图用量子纠缠其他奇怪的量子情况来论证量子力学基础的不完备和量子随机性的荒谬。而以玻尔为首的哥本哈根学派则捍卫量子随机性,认为量子力学的基础是完备的。另1个 学派进行了长达30年的争论,但在当时,有五种观念不难 给出在实验可不上上能加以严格区分的精确预言,所有的争论都局限于哲学层面。直到1964年,美国物理学家贝尔发现通过对量子纠缠进行关联测量,量子力学和定域选折 性理论会对测量结果有着不同的预言。利用其他特性即可开展贝尔实验检验,从而判定量子力学的基础否是完备和量子随机性否是处在。

  贝尔的理论提出完后 的几十年中,世界各国的众多科研小组进行了少许的实验,量子力学和量子随机性经受住了相关的实验检验。然而到目前为止,尚有另1个 漏洞可不上能关闭,即自由选折 漏洞(freedom-of-choice loophole)和塌缩的定域性漏洞(collapse locality loophole)。潘建伟小组长期从事量子力学基础检验,针对这另1个 漏洞,我们都我们都我们都 歌词 歌词 分别利用观察者自主选折 和遥远星体发光产生的随机数,于今年分别实验实现了超高损耗下和有观察者参与的贝尔实验检验,文章先后发表在《物理评论快报》[Phys.Rev. Lett.120,140405 (2018)]、[Phys. Rev. Lett.21,030404 (2018)]和《自然》[Nature557, 212 (2018)]杂志上,为最终实现无漏洞贝尔实验检验奠定坚实的科学和技术基础。

  重要而有趣的是,已经 贝尔实验与量子内禀随机性处在着深刻的内在联系,贝尔实验的检验可不上能从根本上排除定域选折 性理论,从而实现不依赖于器件的量子随机数,即器件无关量子随机数。类式于于随机数处在器被认为是安全性最高的随机数产生装置,即使采用恶意第三方制造的组件,已经 窃听者拥有计算能力最强的量子计算机,也无法预测或获知它所产生的随机数。已经 目前国际上纷纷开展其他随机数产生器的研制工作,美国国家标准局(NIST)正计划利用器件无关的量子随机数产生器建立新一代的随机数国家标准。

  实现器件无关的量子随机数产生器在实验上具有极高的技术挑战:整套随机数产生装置可不上能以极高的下行速率 单位进行纠缠光子的产生、传输、调制、探测;同時 ,不同组件间可不上能设置大概的空间距离以满足类空间隔要求,可不上能以最高的安全性保证任何窃听者只有通过内部人员通信伪造贝尔不等式测试的结果。

  潘建伟、张强研究组在此前系列贝尔实验中发展的技术基础上,经过三年多的努力发展了高性能纠缠光源,首先优化了纠缠光子派发、传输、调制等下行速率 单位,并采用上海微系统所开发的高下行速率 单位超导单光子探测器件,实现了高性能纠缠光源的高效探测[Phys. Rev. Lett.120,010303 (2018)];已经 通过设计快速调制并进行大概的空间分隔设计,满足了器件无关的量子随机数产生装置所需的类空间隔要求。最终,在世界上首次实现了器件无关的量子随机数产生器。

  该工作及后续工作将为密码学和数值模拟以及可不上能随机性输入的各个领域提供真正可靠的随机性来源,同時 已经 可信任的随机数源是现实条件下量子通信安全性的关键环节,器件无关随机数的实验实现也进一步确保了现实条件下量子通信的安全性。未来,中国科大团队将建设高速稳定的器件无关量子随机数产生装置,通过提供基于量子纠缠内禀随机性的、高安全性的随机数,争取形成新一代的国家随机数标准。

  该研究工作得到中科院、科技部、国家自然科学基金委、教育部和安徽省的支持。

  基于量子纠缠的量子随机数产生示意图

  器件无关量子随机数实验装置