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隨機數研究新突破:中國科大在國際上首次實現器件無關的量子隨機數

發布時間:2018-09-25來源于:中國科學技術大學

近日,中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、範靖雲、馬雄峰等與中科院上海微系統與信息技術研究所和日本NTT基礎科學實驗室合作,在發展高品質糾纏光源和高效率單光子探測器件的基礎上,利用量子糾纏的內禀隨機性,在國際上首次成功實現器件無關的量子隨機數。相關研究成果于北京時間9月20日淩晨在線發表在國際權威學術期刊《自然》雜志上(http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0559-3)。這項突破性成果將在數值模擬和密碼學等領域得到廣泛的應用,有望形成新的隨機數國際標准。


隨機數在科學研究和日常生活中都有著重要的應用:例如,天氣預報、新藥研發、新材料設計和核武器研制等領域,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;在遊戲和人工智能等領域,需要使用隨機數來控制系統的演化;在通信安全和現代密碼學等領域,則需要第三方完全不知道的隨機數作爲安全性的基礎。


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。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。然而,对于确定的输入,固定的算法将给出确定的输出序列,从这个角度上来说,这类随机数本质上是确定性的,并不真正随机。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。这类装置相对于基于软件算法的实现,由于环境中的变量更多,因此更难预测。然而在牛顿力学的框架下,即使影响随机数产生的变量非常多,但在每个变量的初始状态确定后,整个系统的运行状态及输出在原理上是可以预测的,因此这一类装置也是基于确定性的过程,只是某种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,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(true random number)产生器。


量子力学这种内禀的概率特性,从量子力学理论发展的初期就一直深深困扰着爱因斯坦、薛定谔和温伯格等重要物理学家。爱因斯坦坚信“上帝是不会掷骰子的” (God does not play dice),他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。而以玻尔为首的哥本哈根学派则捍卫量子随机性,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,但在当时,两种观念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。直到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。然而到目前为止,尚有两个漏洞需要关闭,即自由选择漏洞(freedom-of-choice loophole)和塌缩的定域性漏洞(collapse locality loophole)。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有观察者参与的贝尔实验检验,文章先后发表在《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 120,140405 (2018)]、[Phys. Rev. Lett. 21,080404 (2018)]和《自然》杂志[Nature 557, 212 (2018)]杂志上,为最终实现无漏洞贝尔实验检验奠定坚实的科学和技术基础。 


重要而有趣的是,由于貝爾實驗與量子內禀隨機性存在著深刻的內在聯系,貝爾實驗的檢驗可以從根本上排除定域確定性理論,從而實現不依賴于器件的量子隨機數,即器件無關量子隨機數。這類隨機數發生器被認爲是安全性最高的隨機數産生裝置,即使采用惡意第三方制造的組件,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隨機數。因此目前國際上紛紛開展這種隨機數産生器的研制工作,美國國家標准局(NIST)正計劃利用器件無關的量子隨機數産生器建立新一代的隨機數國家標准。


基于量子糾纏的量子隨機數産生示意圖


實現器件無關的量子隨機數産生器在實驗上具有極高的技術挑戰:整套隨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,不同組件間需要設置合適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內部通信僞造貝爾不等式測試的結果。


潘建伟、张强研究组在此前系列贝尔实验中发展的技术基础上,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,并采用中科院上海微系统所开发的高效率超导单光子探测器件,实现了高性能纠缠光源的高效探测([Phys. Rev. Lett. 120,010503 (2018)]);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。


器件無關量子隨機數實驗裝置


該工作及後續工作將爲密碼學和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,同時由于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,中國科大團隊將建設高速穩定的器件無關量子隨機數産生裝置,通過提供基于量子糾纏內禀隨機性的、高安全性的隨機數,爭取形成新一代的國家隨機數標准。


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持。


(中科院量子信息與量子科技創新研究院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部、上海研究院)


文章鏈接:

https://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0559-3


https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.140405


https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.080404


https://www.nature.com/articles/s41586-018-0085-3


https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.0105