马雄峰研究组合作于《自然》发文 首次成功实现设备无关的量子随机数
2018年09月24日 浏览次数: 0
近日，清华大学交叉信息院马雄峰副教授及其博士生赵琦与中国科技大学潘建伟教授、张强教授团队、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设备无关的量子随机数。该工作的相关研究成果于9月19 日在线发表于国际权威学术期刊《自然》（Nature）杂志。此项研究提供了更为安全可靠的随机数，将在数值模拟和密码学等领域得到广泛的应用，为未来新的随机数安全标准打下铺垫。
随机数在人们的日常生活和科学研究中都有着重要应用，如数值模拟、博彩、人工智能、通信安全等领域。经典随机数的获取来自于软件算法实现或经典热噪声，他们都不是真正的随机数，而是更难预测的伪随机数（pseudo random number）。量子力学的发现从根本上改变了这一局面，它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（true random number）产生器。而一般量子随机数的产生需要基于一定的对量子态或测量的假设，这些假设都在不同程度上减弱了量子随机数的安全性。
量子力学具有的内禀随机性这一特性在量子力学理论发展的初期就一直深深困扰着物理学家们。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（Bell test），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。这一实验并不需要对设备的内部工作原理进行任何假设，只需要对实验中的输入和输出进行统计。在后续的理论研究中人们发现贝尔实验的检验不仅可以从根本上排除定域确定性理论，更可以用来实现不依赖于设备的量子随机数，即设备无关量子随机数（DIQRNG）。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。即使设备由窃听者制造或者拥有量子存储等最强的量子设备，这类随机数发生器仍然是安全的。
实现设备无关的量子随机数产生器在实验上和理论上都具有极高的难度。马雄峰副教授团队针对设备无关的随机数产生的方案进行了安全性分析，给出了在不同的假设、不同的总实验轮数下安全的随机数产生码率。同时针对现有光学系统对实验中一些重要参数进行了优化，为实验的高效进行提供了坚实的理论基础。整套随机数产生装置实现了无漏洞的贝尔不等式违背，并最终在世界上首次实现了设备无关的量子随机数产生器。
图1：不同总轮数下的随机数成码率。蓝色实线和红色虚线分别代表在有限码长情况下和独立同分布情况下的随机数成码率。绿色点代表实验结果。内部插图表示了时间积累下的总随机数产生。
图2：设备无关量子随机数实验装置。（a）实验布局俯瞰图。（b）纠缠源的产生装置。（c）单光子测量装置。
此项研究成果将为密码学和数值模拟等不同领域提供真正可靠的随机性来源，同时为未来的设备无关的随机数拓展、随机数放大、量子密钥分发等诸多关键领域打下铺垫，从而推进未来更快更安全的量子通信。
该工作得到了国家自然科学基金委的支持，马雄峰副教授为论文共同通讯作者，交叉信息院2014级直博生赵琦为论文第二作者。