科学家首次实现器件无关的量子随机数

    【科技前沿】    

    本报北京9月20日电 记者齐芳从中国科学院获悉，中国科学技术大学、中国科学院上海微系统研究所和日本电信电话株式会社基础科学实验室的科学家合作，日前在国际上首次成功实现器件无关的量子随机数。相关成果于北京时间20日的在线发表于学术期刊《自然》上。

    这项成果由中国科学院院士潘建伟领导，将在数值模拟、密码学等领域得到广泛应用，有望形成新的随机数国际标准。潘建伟介绍，在科学研究和日常生活中，随机数都有重要应用。例如，天气预报、新药研制、材料设计、工业设计和核武器研制等领域，常常需要输入大量随机数以进行数值模拟计算；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。但这两种方法都只能产生“伪随机数”——软件算法实现的随机数是利用算法根据输入的随机数“种子”给出均匀分布的输出；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。如果我们知道软件算法的“种子”和物理环境噪声的参数，就能够找出数字产生的公式，从而预测后面将要出现的数字，那这就不是真正的“随机数”了。

    那么，我们是否能够制造真正的随机数？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。

    但这个论断从诞生那天起，就充满争议。爱因斯坦是反对派，他坚信“上帝是不会掷骰子的”，认为一定存在着一个更高的确定性理论，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因为我们不了解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纠缠的概念，试图用量子纠缠这种奇怪的量子状态来论证量子力学基础的不完备和量子随机性的荒谬。以玻尔为首的哥本哈根学派则是量子随机性的支持者，认为量子力学的基础是完备的。两个学派进行了长达30年的争论，但当时两种观念都没能给出在实验上可以加以严格区分的精确预言，所有的争论都局限于哲学层面。1964年，美国物理学家贝尔发现通过对量子纠缠进行关联测量，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。

    贝尔的理论提出之后的几十年中，世界各国的众多科研小组进行了大量的实验，量子力学和量子随机性经受住了相关的实验检验。然而截至目前，这一理论仍有两个漏洞需要被补上，才能平息争议——自由选择漏洞和塌缩的定域性漏洞。

    潘建伟小组长期从事量子力学基础检验，针对这两个漏洞，他们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，文章先后发表在学术期刊《物理评论快报》和《自然》上。

    重要而有趣的是，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。这类随机数发生器被认为是安全性最高的随机数产生装置，即使采用恶意第三方制造的组件，或者窃听者拥有计算能力最强的量子计算机，也无法预测或获知它所产生的随机数。因此目前国际上纷纷开展这种随机数产生器的研制工作，美国国家标准与技术研究院（NIST）正计划利用器件无关的量子随机数产生器建立新一代的随机数国际标准。

    实现器件无关的量子随机数产生器在实验上具有极高的技术挑战：整套随机数产生装置需要以极高的效率进行纠缠光子的产生、传输、调制、探测；同时，不同组件间需要设置合适的空间距离以满足类空间隔要求，才能以最高的安全性保证任何窃听者不能通过内部通信伪造贝尔不等式测试的结果。

    潘建伟、张强研究组经过三年多的努力发展了高性能纠缠光源，首先优化了纠缠光子收集、传输、调制等效率，并采用上海微系统与信息技术研究所开发的高效率超导单光子探测器，实现了高性能纠缠光源的高效探测；然后通过设计快速调制并进行合适的空间分隔设计，满足了器件无关的量子随机数产生装置所需的类空间隔要求。最终，在世界上首次实现了器件无关的量子随机数产生器。

    潘建伟说：“在现有的量子通信系统中，如果采用自己制备的或者可信制造商制备的量子随机数产生器，其安全性是可以得到保障的。但是如果我们不小心采用了恶意第三方所制造的器件，就会发生随机数泄露。我们新的成果则确保即使是使用不信任第三方的器件的情况下，也可以产生真随机数，并且不会泄露，从而确保通信的安全。”

    潘建伟介绍，中科大团队未来将建设高速稳定的器件无关量子随机数产生装置，通过提供基于量子纠缠内禀随机性的、高安全性的随机数，争取形成新一代的国际随机数标准。