據《人民日報》、新華社、中國科學技術大學官方等消息，潘建偉團隊日前成功實作了器件無關的量子随機數，将在數值模拟、密碼學等領域廣泛應用，并有望形成新的随機數國際标準。
相關研究成果于中原標準時間20日由國際權威學術期刊《自然》線上發表（http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0559-3）。
中科大教授潘建偉及其同僚張強、範靖雲、馬雄峰等與中科院上海微系統與資訊技術研究所、日本NTT基礎科學實驗室合作，利用量子糾纏的内禀随機性，在國際上首次實作器件無關的量子随機數。這是目前安全性最高的随機數産生裝置。
随機數在科學研究和日常生活中都有着重要應用。
例如，天氣預報、新藥研制、材料設計、工業設計和核武器研制等領域，常常需要通過數值模拟進行計算，關鍵就是要有大量随機數輸入；遊戲、人工智能等領域，需要使用随機數來控制系統演化；在通信安全、現代密碼學等領域，則需要第三方完全不知道的随機數作為安全性的基礎。
根據量子力學，科學家可以制造出真正的随機數産生器，即使采用惡意第三方制造的元件，或者使用計算能力超強的量子計算機，也無法預測或獲知它所産生的随機數。目前國際上紛紛開展這種随機數産生器的研制工作。
潘建偉介紹，其團隊的這一成果是在此前技術基礎上，優化了糾纏光子收集、傳輸、調制等效率，并采用上海微系統所開發的高效率超導單光子探測器件，實作了高性能糾纏光源的高效制備；通過設計快速調制并進行合适的空間分隔設計，滿足了器件無關的量子随機數産生裝置所需的類空間隔要求。
“無論經典密碼學還是量子保密通信，都需要真正的随機數作為保障。”潘建偉說，在現有的量子保密通信系統中，如果采用自己制備的或者可信制造商制備的量子随機數産生器，其安全性可以得到保障。但如果不小心采用了惡意第三方制造的器件，可能會發生随機數洩漏。
新的成果確定即使是使用不信任第三方的器件，也可以産生真随機數并且不會洩漏，進而確定通信安全。
以往通常有兩類擷取随機數的途徑：基于軟體算法實作或基于經典熱噪聲實作。
軟體算法實作的随機數是利用算法根據輸入的随機數種子給出均勻分布的輸出。然而，對于确定的輸入，固定的算法将給出确定的輸出序列，從這個角度上來說，這類随機數本質上是确定性的，并不真正随機。
基于經典熱噪聲的随機數晶片讀取目前實體環境中的噪聲，并據此獲得随機數。這類裝置相對于基于軟體算法的實作，由于環境中的變量更多，是以更難預測。然而在牛頓力學的架構下，即使影響随機數産生的變量非常多，但在每個變量的初始狀态确定後，整個系統的運作狀态及輸出在原理上是可以預測的，是以這一類裝置也是基于确定性的過程，隻是某種更難預測的僞随機數（pseudo random number）。
量子力學的發現從根本上改變了這一局面，因為其基本實體過程具有經典實體中所不具有的内禀随機性，進而可以制造出真正的随機數（true random number）産生器。
量子力學這種内禀的機率特性，從量子力學理論發展的初期就一直深深困擾着愛因斯坦、薛定谔和溫伯格等重要實體學家。
△ 基于量子糾纏的量子随機數産生示意圖
愛因斯坦堅信“上帝是不會擲骰子的” (God does not play dice)，他認為一定存在着一個更高的确定性理論，量子力學隻是該理論的近似，而量子力學的内禀随機性則隻是因為我們不了解這種理論而帶來的誤解。
愛因斯坦和薛定谔等人提出了量子糾纏的概念，試圖用量子糾纏這種奇怪的量子狀态來論證量子力學基礎的不完備和量子随機性的荒謬。而以玻爾為首的哥本哈根學派則捍衛量子随機性，認為量子力學的基礎是完備的。
兩個學派進行了長達30年的争論，但在當時，兩種觀念沒能給出在實驗上可以加以嚴格區分的精确預言，所有的争論都局限于哲學層面。
直到1964年，美國實體學家貝爾發現通過對量子糾纏進行關聯測量，量子力學和定域确定性理論會對測量結果有着不同的預言。利用這個特性即可開展貝爾實驗檢驗，進而判定量子力學的基礎是否完備和量子随機性是否存在。
貝爾的理論提出之後的幾十年中，世界各國的衆多科研小組進行了大量的實驗，量子力學和量子随機性經受住了相關的實驗檢驗。然而到目前為止，尚有兩個漏洞需要關閉，即自由選擇漏洞(freedom-of-choice loophole)和塌縮的定域性漏洞（collapse locality loophole）。
潘建偉小組長期從事量子力學基礎檢驗，針對這兩個漏洞，他們分别利用觀察者自主選擇和遙遠星體發光産生的随機數，于今年分别實驗實作了超高損耗下和有觀察者參與的貝爾實驗檢驗，文章先後發表在《實體評論快報》[Phys. Rev. Lett. 120，140405 (2018)]、[Phys. Rev. Lett. 21，080404 (2018)]和《自然》雜志[Nature 557, 212 (2018)]雜志上，為最終實作無漏洞貝爾實驗檢驗奠定堅實的科學和技術基礎。
重要而有趣的是，由于貝爾實驗與量子内禀随機性存在着深刻的内在聯系，貝爾實驗的檢驗可以從根本上排除定域确定性理論，進而實作不依賴于器件的量子随機數，即器件無關量子随機數。
這類随機數發生器被認為是安全性最高的随機數産生裝置，即使采用惡意第三方制造的元件，或者竊聽者擁有計算能力最強的量子計算機，也無法預測或獲知它所産生的随機數。
是以目前國際上紛紛開展這種随機數産生器的研制工作，美國國家标準局（NIST）正計劃利用器件無關的量子随機數産生器建立新一代的随機數國家标準。
實作器件無關的量子随機數産生器在實驗上具有極高的技術挑戰：整套随機數産生裝置需要以極高的效率進行糾纏光子的産生、傳輸、調制、探測；同時，不同元件間需要設定合适的空間距離以滿足類空間隔要求，才能以最高的安全性保證任何竊聽者不能通過内部通信僞造貝爾不等式測試的結果。
潘建偉、張強研究組在此前系列貝爾實驗中發展的技術基礎上，經過三年多的努力發展了高性能糾纏光源，首先優化了糾纏光子收集、傳輸、調制等效率，并采用中科院上海微系統所開發的高效率超導單光子探測器件，實作了高性能糾纏光源的高效探測（[Phys. Rev. Lett. 120，010503 (2018)]）。
然後通過設計快速調制并進行合适的空間分隔設計，滿足了器件無關的量子随機數産生裝置所需的類空間隔要求。最終，在世界上首次實作了器件無關的量子随機數産生器。
△ 器件無關量子随機數實驗裝置
該工作及後續工作将為密碼學和數值模拟以及需要随機性輸入的各個領域提供真正可靠的随機性來源，同時由于可信任的随機數源是現實條件下量子通信安全性的關鍵環節，器件無關随機數的實驗實作也進一步確定了現實條件下量子通信的安全性。
未來，中國科大團隊将建設高速穩定的器件無關量子随機數産生裝置，通過提供基于量子糾纏内禀随機性的、高安全性的随機數，争取形成新一代的國家随機數标準。
該研究工作得到了中科院、科技部、國家自然科學基金委、教育部和安徽省的支援。
原文釋出時間為：2018-09-20
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