近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、范靖雲、馬雄峰等與中科院上海微系統與資訊技術研究所和日本NTT基礎科學實驗室合作，在國際上首次成功實現器件無關的量子隨機數。相關研究成果於北京時間9月20日凌晨在線發表在《自然》雜誌上。這項突破性成果有望形成新的隨機數國際標準。
隨機數在科學研究和日常生活中都有著重要的應用。例如，氣象預報、新藥研製、材料設計、工業設計等領域，常常需要通過數值模擬進行計算，而數值模擬的關鍵就是要有大量隨機數的輸入；在遊戲、人工智能等領域，需要使用隨機數來控制系統的演化；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隨機數作為安全性的基礎。
以往通常有兩類獲取隨機數的途徑：基於軟體算法實現或基於經典熱噪聲實現。軟體算法實現的隨機數本質上是確定性的，並不真正隨機。基於經典熱噪聲的隨機數芯片讀取當前物理環境中的噪聲，並據此獲得隨機數，更難預測。然而在牛頓力學的框架下，即使影響隨機數產生的變量非常多，但在每個變量的初始狀態確定後，整個系統的運行狀態及輸出在原理上是可以預測的，只是某種更難預測的偽隨機數。
量子力學的發現從根本上改變了這一局面，因為其基本物理過程具有經典物理中所不具有的內稟隨機性，從而可以製造出真正的隨機數產生器。
量子糾纏內稟隨機性就是量子疊加態測量塌縮的隨機性。量子糾纏也是一種量子疊加態，測量量子糾纏也會隨機塌縮。把這種量子測量的隨機性應用到器件裡，就是量子隨機數發生器了。這種內稟隨機性，從量子力學理論發展的初期就深深困擾著愛因斯坦、薛定諤和溫伯格等著名物理學家。1964年，美國物理學家貝爾通過對量子糾纏進行關聯測量，發現量子力學和定域確定性理論會對測量結果有著不同的預言。利用這個特性即可開展貝爾實驗檢驗，從而判定量子力學的基礎是否完備和量子隨機性是否存在。貝爾理論提出後的幾十年中，世界眾多科研小組進行了大量實驗，量子力學和量子隨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，即自由選擇漏洞和塌縮的定域性漏洞。
潘建偉小組針對這兩個漏洞，分別利用觀察者自主選擇和遙遠星體發光產生的隨機數，於今年分別實驗實現了超高損耗下和大量觀察者參與的貝爾實驗檢驗。重要而有趣的是，由於貝爾實驗與量子內稟隨機性存在著深刻的內在聯繫，貝爾實驗的檢驗可以從根本上排除定域確定性理論，從而實現不依賴於器件的量子隨機數，即器件無關量子隨機數。
“在現有的量子通信系統中，如果採用自己製備的或者可信製造商製備的量子隨機數產生器，其安全性是可以得到保障的。但是如果我們不小心採用了惡意第三方所製造的器件，就會發生隨機數泄露。我們新的成果則確保即使是使用不信任第三方的器件的情況下，也可以產生真隨機數，並且不會泄露，從而確保通信的安全。”潘建偉說。
這類隨機數發生器被認為是安全性最高的隨機數產生裝置，因此目前國際上紛紛開展這種隨機數產生器的研製工作，美國國家標準與技術研究院正計劃利用器件無關的量子隨機數產生器建立新一代的隨機數國家標準。
實現器件無關的量子隨機數產生器在實驗上具有極高的技術挑戰：整套隨機數產生裝置需要以極高的效率進行糾纏光子的產生、傳輸、調製、探測；同時，不同組件間需要設定合適的太空距離，才能以最高的安全性保證任何竊聽者不能通過內部通信偽造貝爾不等式測試的結果。潘建偉、張強研究組經過3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、調製等環節的效率，並採用上海微系統與資訊技術研究所開發的高效率超導單光子探測器，實現了高性能糾纏光源的高效探測；然後通過設計快速調製並進行合適的太空分隔設計，滿足了器件無關的量子隨機數產生裝置所需的類太空隔要求。最終，在世界上首次實現了可以防禦量子攻擊的器件無關量子隨機數產生器。
該研究成果及後續研究工作將為密碼學、數值模擬以及需要隨機性輸入的各個領域提供真正可靠的隨機性來源。同時由於可信任的隨機數源是現實條件下量子通信安全性的關鍵環節，器件無關隨機數的實驗實現也進一步確保了現實條件下量子通信的安全性。
未來，中科大團隊將建設高速穩定的器件無關量子隨機數產生裝置，通過提供基於量子糾纏內稟隨機性的、高安全性的隨機數，爭取形成新一代的隨機數國際標準。
《 人民日報 》( 2018年09月20日 15 版)
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