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　　近日，中國科學技術(shù)大學教授潘建偉及其同事張強、范靖云、馬雄峰等與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和日本NTT基礎科學實驗室合作，在國際上首次成功實現(xiàn)器件無關(guān)的量子隨機數(shù)。相關(guān)研究成果于北京時間9月20日凌晨在線發(fā)表在《自然》雜志上。這項突破性成果有望形成新的隨機數(shù)國際標準。

　　隨機數(shù)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(shù)值模擬進行計算，而數(shù)值模擬的關(guān)鍵就是要有大量隨機數(shù)的輸入；在游戲、人工智能等領域，需要使用隨機數(shù)來控制系統(tǒng)的演化；在通信安全、現(xiàn)代密碼學等領域，則需要第三方完全不知道的隨機數(shù)作為安全性的基礎。

　　以往通常有兩類獲取隨機數(shù)的途徑：基于軟件算法實現(xiàn)或基于經(jīng)典熱噪聲實現(xiàn)。軟件算法實現(xiàn)的隨機數(shù)本質(zhì)上是確定性的，并不真正隨機?；诮?jīng)典熱噪聲的隨機數(shù)芯片讀取當前物理環(huán)境中的噪聲，并據(jù)此獲得隨機數(shù)，更難預測。然而在牛頓力學的框架下，即使影響隨機數(shù)產(chǎn)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(tǒng)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(shù)。

　　量子力學的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了這一局面，因為其基本物理過程具有經(jīng)典物理中所不具有的內(nèi)稟隨機性，從而可以制造出真正的隨機數(shù)產(chǎn)生器。

　　量子糾纏內(nèi)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(shù)發(fā)生器了。這種內(nèi)稟隨機性，從量子力學理論發(fā)展的初期就深深困擾著愛因斯坦、薛定諤和溫伯格等著名物理學家。1964年，美國物理學家貝爾通過對量子糾纏進行關(guān)聯(lián)測量，發(fā)現(xiàn)量子力學和定域確定性理論會對測量結(jié)果有著不同的預言。利用這個特性即可開展貝爾實驗檢驗，從而判定量子力學的基礎是否完備和量子隨機性是否存在。貝爾理論提出后的幾十年中，世界眾多科研小組進行了大量實驗，量子力學和量子隨機性經(jīng)受住了相關(guān)的實驗檢驗。然而到目前為止，尚有兩個漏洞需要關(guān)閉，即自由選擇漏洞和塌縮的定域性漏洞。

　　潘建偉小組針對這兩個漏洞，分別利用觀察者自主選擇和遙遠星體發(fā)光產(chǎn)生的隨機數(shù)，于今年分別實驗實現(xiàn)了超高損耗下和大量觀察者參與的貝爾實驗檢驗。重要而有趣的是，由于貝爾實驗與量子內(nèi)稟隨機性存在著深刻的內(nèi)在聯(lián)系，貝爾實驗的檢驗可以從根本上排除定域確定性理論，從而實現(xiàn)不依賴于器件的量子隨機數(shù)，即器件無關(guān)量子隨機數(shù)。

　　“在現(xiàn)有的量子通信系統(tǒng)中，如果采用自己制備的或者可信制造商制備的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器，其安全性是可以得到保障的。但是如果我們不小心采用了惡意第三方所制造的器件，就會發(fā)生隨機數(shù)泄露。我們新的成果則確保即使是使用不信任第三方的器件的情況下，也可以產(chǎn)生真隨機數(shù)，并且不會泄露，從而確保通信的安全。”潘建偉說。

　　這類隨機數(shù)發(fā)生器被認為是安全性最高的隨機數(shù)產(chǎn)生裝置，因此目前國際上紛紛開展這種隨機數(shù)產(chǎn)生器的研制工作，美國國家標準與技術(shù)研究院正計劃利用器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器建立新一代的隨機數(shù)國家標準。

　　實現(xiàn)器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器在實驗上具有極高的技術(shù)挑戰(zhàn)：整套隨機數(shù)產(chǎn)生裝置需要以極高的效率進行糾纏光子的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)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、張強研究組經(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)的高效率超導單光子探測器，實現(xiàn)了高性能糾纏光源的高效探測；然后通過設計快速調(diào)制并進行合適的空間分隔設計，滿足了器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生裝置所需的類空間隔要求。最終，在世界上首次實現(xiàn)了可以防御量子攻擊的器件無關(guān)量子隨機數(shù)產(chǎn)生器。

　　該研究成果及后續(xù)研究工作將為密碼學、數(shù)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(shù)源是現(xiàn)實條件下量子通信安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，器件無關(guān)隨機數(shù)的實驗實現(xiàn)也進一步確保了現(xiàn)實條件下量子通信的安全性。

　　未來，中科大團隊將建設高速穩(wěn)定的器件無關(guān)量子隨機數(shù)產(chǎn)生裝置，通過提供基于量子糾纏內(nèi)稟隨機性的、高安全性的隨機數(shù)，爭取形成新一代的隨機數(shù)國際標準。

　　（原載于《人民日報》 2018-09-20 15版）