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可防量子攻击!中科大首次实现器件无关的量子随机数

据《人民日报》9月20日报道,近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、范靖云、马雄峰等与中科院上海微系统与信息技术研究所和日本NTT基础科学实验室合作,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日凌晨在线发表在《自然》杂志上。这项突破性成果有望形成新的随机数国际标准。

随机数在科学研究和日常生活中都有着重要的应用。例如,天气预报、新药研制、材料设计、工业设计等领域,常常需要通过数值模拟进行计算,而数值模拟的关键就是要有大量随机数的输入;在游戏、人工智能等领域,需要使用随机数来控制系统的演化;在通信安全、现代密码学等领域,则需要第三方完全不知道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环境中的噪声,并据此获得随机数,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状态确定后,整个系统的运行状态及输出在原理上是可以预测的,只是某种更难预测的伪随机数。

量子力学的发现从根本上改变了这一局面,因为其基本物理过程具有经典物理中所不具有的内禀随机性,从而可以制造出真正的随机数产生器。

量子纠缠内禀随机性就是量子叠加态测量塌缩的随机性。量子纠缠也是一种量子叠加态,测量量子纠缠也会随机塌缩。把这种量子测量的随机性应用到器件里,就是量子随机数发生器了。这种内禀随机性,从量子力学理论发展的初期就深深困扰着爱因斯坦、薛定谔和温伯格等著名物理学家。1964年,美国物理学家贝尔通过对量子纠缠进行关联测量,发现量子力学和定域确定性理论会对测量结果有着不同的预言。利用这个特性即可开展贝尔实验检验,从而判定量子力学的基础是否完备和量子随机性是否存在。贝尔理论提出后的几十年中,世界众多科研小组进行了大量实验,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,尚有两个漏洞需要关闭,即自由选择漏洞和塌缩的定域性漏洞。

潘建伟小组针对这两个漏洞,分别利用观察者自主选择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大量观察者参与的贝尔实验检验。重要而有趣的是,由于贝尔实验与量子内禀随机性存在着深刻的内在联系,贝尔实验的检验可以从根本上排除定域确定性理论,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。

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