有望形成新的隨機(jī)數(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)

●創(chuàng)新點(diǎn)

隨機(jī)數(shù)在科學(xué)研究和日常生活中都有著重要的應(yīng)用。例如，天氣預(yù)報(bào)、新藥研制、材料設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，常常需要通過數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算，而數(shù)值模擬的關(guān)鍵就是要有大量隨機(jī)數(shù)的輸入；在游戲、人工智能等領(lǐng)域，需要使用隨機(jī)數(shù)來控制系統(tǒng)的演化；在通信安全、現(xiàn)代密碼學(xué)等領(lǐng)域，需要第三方完全不知道的隨機(jī)數(shù)作為安全性基礎(chǔ)。以往隨機(jī)數(shù)通?；谲浖惴▽?shí)現(xiàn)或基于經(jīng)典熱噪聲實(shí)現(xiàn)。軟件算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)本質(zhì)上是確定性的，并不是真正的隨機(jī)?；诮?jīng)典熱噪聲的隨機(jī)數(shù)芯片讀取當(dāng)前物理環(huán)境中的噪聲，并據(jù)此獲得隨機(jī)數(shù)。然而，在牛頓力學(xué)的框架下，即使影響隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的變量非常多，但在每個(gè)變量的初始狀態(tài)確定后，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及輸出在原理上是可以預(yù)測的，只是某種更難預(yù)測的偽隨機(jī)數(shù)。

量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了這一局面，由于其基本物理過程具有經(jīng)典物理中所不具有的內(nèi)稟隨機(jī)性，因此可以制造出真正的隨機(jī)數(shù)。量子糾纏內(nèi)稟隨機(jī)性就是量子疊加態(tài)測量塌縮的隨機(jī)性。量子糾纏也是一種量子疊加態(tài)，測量量子糾纏也會(huì)隨機(jī)塌縮，把這種量子測量的隨機(jī)性應(yīng)用到器件里，就是量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。然而，到目前為止，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器尚有兩個(gè)漏洞需要關(guān)閉，即自由選擇漏洞和塌縮的定域性漏洞。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)長期從事量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)，針對這兩個(gè)漏洞，分別利用觀察者自主選擇和遙遠(yuǎn)星體發(fā)光產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了器件無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。

●方法和結(jié)果

實(shí)現(xiàn)器件無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器在實(shí)驗(yàn)上具有極高的技術(shù)挑戰(zhàn)：整套隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置需要以極高的效率進(jìn)行糾纏光子的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制、探測；同時(shí)，不同組件間需要設(shè)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(nèi)部通信偽造貝爾不等式測試的結(jié)果。潘建偉研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)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(diào)制等環(huán)節(jié)的效率，并采用上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所開發(fā)的高效率超導(dǎo)單光子探測器，實(shí)現(xiàn)了高性能糾纏光源的高效探測，然后通過設(shè)計(jì)快速調(diào)制并進(jìn)行合適的空間分隔設(shè)計(jì)，滿足了器件無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置所需的類空間隔要求。最終，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了可以防御量子攻擊的器件無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

應(yīng)用前景

該研究成果及后續(xù)研究工作將為密碼學(xué)、數(shù)值模擬以及需要隨機(jī)性輸入的各個(gè)領(lǐng)域提供真正可靠的隨機(jī)性來源。同時(shí)，由于可信任的隨機(jī)數(shù)源是現(xiàn)實(shí)條件下量子通信安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，器件無關(guān)隨機(jī)數(shù)的實(shí)現(xiàn)也進(jìn)一步確保了現(xiàn)實(shí)條件下量子通信的安全性，為將來形成新一代的隨機(jī)數(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

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.