潮科技 | 中国科学家在国际上初次实现器件无关的量子随机数

原问题：潮科技 | 中国科学家在国际上初次实现器件无关的量子随机数

编者按：本文来自微信公家号“中科院之声”（ID：zkyzswx），来历为中国科学技能大学 、 中国科学院上海微体系与信息技能研究所，36氪经授权转载。

克日，中国科学技能大学传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体系与信息技能研究所和日本 NTT 基本科学尝试室相助，在成长高品格胶葛光源和高服从单光子探测器件的基本上，操作量子胶葛的内禀随机性，在国际上初次乐成实现器件无关的量子随机数。相干研究成就于北京时刻9月20日破晓在线颁发在国际学术期刊《天然》杂志上。这项成就将在数值模仿和暗码学等规模获得普及应用，有望形成新的随机数国际尺度。

随机数在科学研究和一般糊口中都有着重要的应用：譬喻，气候预告、新药研发、新原料计划和核兵器研制等规模，经常必要通过数值模仿举办计较，而数值模仿的要害就是要有大量随机数的输入；在游戏和人工智能等规模，必要行使随机数来节制体系的演化；在通讯安详和当代暗码学等规模，则必要第三方完全不知道的随机数作为安详性的基本。

以往凡是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操作算法按照输入的随机数种子给出匀称漫衍的输出。然而，对付确定的输入，牢靠的算法将给出确定的输出序列，从这个角度上来说，这类随机数本质上是确定性的，并不真正随机。基于经典热噪声的随机数芯片读取当前物理情形中的噪声，并据此得到随机数。这类装置相对付基于软件算法的实现，因为情形中的变量更多，因此更难猜测。然而在牛顿力学的框架下，纵然影响随机数发生的变量很是多，但在每个变量的初始状态确定后，整个体系的运行状态及输出在道理上是可以猜测的，因此这一类装置也是基于确定性的进程，只是某种更难猜测的伪随机数（pseudo random number）。量子力学的发明从基础上改变了这一排场，由于其根基物理进程具有经典物理中所不具有的内禀随机性，从而可以制造出真正的随机数（true random number）发生器。

量子力学这种内禀的概率特征，从量子力学理论成长的初期就一向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“天主是不会掷骰子的”（God does not play dice），他以为必然存在着一个更高简直定性理论，量子力学只是该理论的近似，而量子力学的内禀随机性则只是由于人们不相识这种理论而带来的误解。爱因斯坦和薛定谔等人提出了量子胶葛的观念，试图用量子胶葛这种稀疏的量子状态来论证量子力学基本的不完整和量子随机性的谬妄。而以玻尔为首的哥本哈根学派则守护量子随机性，以为量子力学的基本是完整的。两个学派举办了长达30年的争论，但在其时，两种见识没能给出在尝试上可以加以严酷区分的准确预言，全部的争论都范围于哲学层面。直到1964年，美国物理学家贝尔发明通过对量子胶葛举办关联丈量，量子力学和定域确定性理论会对丈量功效有着差异的预言。操作这个特征即可开展贝尔尝试检讨，从而鉴定量子力学的基本是否完整和量子随机性是否存在。

贝尔的理论提出之后的几十年中，天下各国的浩瀚科研小组举办了大量的尝试，量子力学和量子随机性担当住了相干的尝试检讨。然而到今朝为止，另有两个裂痕必要封锁，即自由选择裂痕（freedom-of-choice loophole）和塌缩的定域性裂痕（collapse locality loophole）。潘建伟小组恒久从事量子力学基本检讨，针对这两个裂痕，他们别离操作调查者自主选择和迢遥星体发光发生的随机数，于本年别离尝试实现了超高消费下和有调查者参加的贝尔尝试检讨，文章先后颁发在《物理评述快报》[Phys. Rev. Lett. 120，140405 (2018)]、[Phys. Rev. Lett. 21，080404 (2018)]和《天然》[Nature 557, 212 (2018)]杂志上，为最终实现无裂痕贝尔尝试检讨奠基坚硬的科学和技能基本。

重要而风趣的是，因为贝尔尝试与量子内禀随机性存在着深刻的内涵接洽，贝尔尝试的检讨可以从基础上解除定域确定性理论，从而实现不依靠于器件的量子随机数，即器件无关量子随机数。这类随机数产生器被以为是安详性最高的随机数发生装置，纵然回收恶意第三方制造的组件，可能窃听者拥有计较手段最强的量子计较机，也无法猜测或获知它所发生的随机数。因此今朝国际上纷纷开展这种随机数发生器的研制事变，美国国度尺度局（NIST）正打算操作器件无关的量子随机数发生器成立新一代的随机数国度尺度。

实现器件无关的量子随机数发生器在尝试上具有极高的技能挑衅：整套随机数发生装置必要以极高的服从举办胶葛光子的发生、传输、调制、探测；同时，差异组件间必要配置吻合的空间间隔以满意类空隔断要求，才气以最高的安详性担保任何窃听者不能通过内部通讯伪造贝尔不等式测试的功效。

潘建伟、张强研究组在此前系列贝尔尝试中成长的技能基本上，颠末三年多的全力成长了高机能胶葛光源，起首优化了胶葛光子网络、传输、调制等服从，并回收上海微体系所开拓的高服从超导单光子探测器件，实现了高机能胶葛光源的高效探测[Phys. Rev. Lett. 120，010503 (2018)]；然后通过计划快速调制并举办吻合的空间脱离计划，满意了器件无关的量子随机数发生装置所需的类空隔断要求。最终，活着界上初次实现了器件无关的量子随机数发生器。

该事变及后续事变将为暗码学和数值模仿以及必要随机性输入的各个规模提供真正靠得住的随机性来历，同时因为可信赖的随机数源是实际前提下量子通讯安详性的要害环节，器件无关随机数的尝试实现也进一步确保了实际前提下量子通讯的安详性。将来，中国科大团队将建树高速不变的器件无关量子随机数发生装置，通过提供基于量子胶葛内禀随机性的、高安详性的随机数，争取形成新一代的国度随机数尺度。

该研究事变获得中科院、科技部、国度天然科学基金委、教诲部和安徽省的支持。

基于量子胶葛的量子随机数发生表示图 

器件无关量子随机数尝试装置 

（编辑：河北网）

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