中国科学家在世界上首次实现与装置无关的量子随机数

近日，中国科学技术大学潘建伟院士团队与尤立星 (研究员) 团队、清华大学与日本 NTT基础科学实验室的合作，基于高质量纠缠光源和高效率单光子探测器的开发，利用量子纠缠的本征随机性，在国际上首次成功实现了与器件无关的量子随机数。北京市相关研究成果时间于9月20日凌晨在线发表于国际权威学术期刊《自然》 (http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0559-3)。这一突破将在数值模拟和密码学中得到广泛应用，并有望形成一个新的随机数国际标准。

随机数在科学研究和日常生活中有重要的应用: 例如，在天气预报、新药研发、新材料设计和核武器研制等领域，往往需要进行数值模拟计算，而数值模拟的关键是要有大量的随机数输入; 在游戏和人工智能领域，需要用随机数来控制系统的演进; 在通信安全和现代密码学领域，需要第三方完全未知的随机数作为安全性的基础。

过去，通常有两种获取随机数的方式: 基于软件算法或基于经典热噪声。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。但是，对于确定的输入，固定的算法会给出确定的输出序列。从这个角度来看，这样的随机数本质上是确定性的，而不是真正的随机。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。这样的设备比基于软件算法的实现更难以预测，因为环境中有更多的变量。然而，在牛顿力学的框架中，即使有许多影响随机数生成的变量，在确定了每个变量的初始状态后，整个系统的运行状态和输出在原理上是可预测的，因此这类装置也是基于确定性过程，但是有些更难预测。伪随机数 (伪随机数)。量子力学的发现从根本上改变了这种状况，因为它的基本物理过程具有经典物理学中没有的内在随机性，可以创造实随机数 (真随机数) 生成器。

量子力学的内在概率特性，自量子力学理论发展早期以来，就深受爱因斯坦、薛定谔和温伯格等重要物理学家的困扰。爱因斯坦坚信“上帝不玩骰子” (God do not play dice)，他认为必须有更高的确定性理论，量子力学只是该理论的近似，而量子力学的内在随机性只是因为我们不了解这个理论所造成的误解。爱因斯坦、薛定谔等人提出了量子纠缠的概念，试图用量子纠缠的奇异量子态来论证量子力学基础的不完备性和量子随机性的荒谬性。以玻尔为首的哥本哈根学派为量子随机性辩护，认为量子力学的基础是完备的。两所学校已经进行了很长时间30年的争议，但在当时，这两个概念未能给出可以通过实验严格区分的精确预测。所有争议都仅限于哲学层面。美国物理学家贝尔1964年发现，通过量子纠缠的相关测量，量子力学和局域决定论理论对测量结果会有不同的预测。利用这一特性，可以进行贝尔实验，以确定量子力学的基础是否完备，以及是否存在量子随机性。

贝尔理论的提出，全球许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考验。但是，到目前为止，仍有两个漏洞需要关闭，即选择自由漏洞和崩溃的本地化漏洞 (collapse locality loophole)。潘建伟的团队长期从事量子力学的基础试验。针对这两个漏洞，他们利用了观测者自主选择产生的随机数和遥远恒星的发光。今年，他们分别实现了超高损失和观察员的参与。贝尔实验测试，该文章已发表在《物理评论快报》[物理。Lett. 120，140405 (2018)]，[物理。Lett. 21，080404 (2018)] 和自然杂志[自然557,212 (2018)] 杂志为最终实现无瑕贝尔实验奠定了坚实的科学技术基础。

重要而有趣的是，由于贝尔实验与量子本征随机性之间的深层内在联系，贝尔实验的检验可以从根本上排除局部确定性理论，从而实现不依赖于器件的量子随机数，即与器件无关的量子随机数。这种随机数发生器被认为是最安全的随机数生成设备。即使使用了恶意第三方制造的组件，或者窃听者拥有最强大的量子计算机，他们也无法预测或知道它产生的随机数。因此，这种随机数发生器的开发在国际上已经进行。国家标准局 (NIST) 正在计划使用与设备无关的量子随机数发生器来建立新一代的国家随机数标准。

基于量子纠缠一代

器件无关量子随机数发生器的实现在实验中具有极高的技术挑战: 整个随机数发生器需要以极高的效率产生、传输、调制、探测纠缠光子; 同时，不同的组件需要设置适当的空间距离，以满足类似空间的间隔的要求，可以确保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，具有最高的安全性。

潘建伟和张强在之前的贝尔系列实验中，经过三年多的努力开发了高性能的纠缠光源，首先优化了纠缠光子的收集、传输、调制等效率，并采用了高性能纠缠光源的高效率检测 ([Phys. Rev. Lett. 120，010503 (2018)]); 然后，通过设计快速调制并进行适当的空间分离设计，满足了与器件无关的量子随机数生成器件所需的类似空间的间隔要求。最后在世界上首次实现了与器件无关的量子随机数发生器。这项工作和后续工作将为密码学，数值模拟和需要随机输入的各种领域提供真正可靠的随机性来源。同时，由于可信随机数源是现实条件下量子通信安全的关键环节，器件无关随机数的实验实现也进一步保证了现实条件下量子通信的安全性。

赋同量子科技有限公司致力于超导单光子探测器 (SNSPD) 和其他超导电子器件和电路及其外围技术。是中国信息协会量子信息分会的第一个会员单位。公司核心产品超导纳米线单光子探测器的性能指标达到国际一流水平，已应用于量子信息、卫星测距、量子时间同步等领域。