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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、范靖云、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,利用量子糾纏的內稟隨機性,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日凌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,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;在游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為安全性的基礎。


以往通常有兩類獲取隨機數的途徑:基于軟件算法實現或基于經典熱噪聲實現。軟件算法實現的隨機數是利用算法根據輸入的隨機數種子給出均勻分布的輸出。然而,對于確定的輸入,固定的算法將給出確定的輸出序列,從這個角度上來說,這類隨機數本質上是確定性的,并不真正隨機。基于經典熱噪聲的隨機數芯片讀取當前物理環境中的噪聲,并據此獲得隨機數。這類裝置相對于基于軟件算法的實現,由于環境中的變量更多,因此更難預測。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后,整個系統的運行狀態及輸出在原理上是可以預測的,因此這一類裝置也是基于確定性的過程,只是某種更難預測的偽隨機數(pseudo random number)。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,從而可以制造出真正的隨機數(true random number)產生器。


量子力學這種內稟的概率特性,從量子力學理論發展的初期就一直深深困擾著愛因斯坦、薛定諤和溫伯格等重要物理學家。愛因斯坦堅信“上帝是不會擲骰子的” (God does not play dice),他認為一定存在著一個更高的確定性理論,量子力學只是該理論的近似,而量子力學的內稟隨機性則只是因為我們不了解這種理論而帶來的誤解。愛因斯坦和薛定諤等人提出了量子糾纏的概念,試圖用量子糾纏這種奇怪的量子狀態來論證量子力學基礎的不完備和量子隨機性的荒謬。而以玻爾為首的哥本哈根學派則捍衛量子隨機性,認為量子力學的基礎是完備的。兩個學派進行了長達30年的爭論,但在當時,兩種觀念沒能給出在實驗上可以加以嚴格區分的精確預言,所有的爭論都局限于哲學層面。直到1964年,美國物理學家貝爾發現通過對量子糾纏進行關聯測量,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。


貝爾的理論提出之后的幾十年中,世界各國的眾多科研小組進行了大量的實驗,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(freedom-of-choice loophole)和塌縮的定域性漏洞(collapse locality loophole)。潘建偉小組長期從事量子力學基礎檢驗,針對這兩個漏洞,他們分別利用觀察者自主選擇和遙遠星體發光產生的隨機數,于今年分別實驗實現了超高損耗下和有觀察者參與的貝爾實驗檢驗,文章先后發表在《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 120,140405 (2018)]、[Phys. Rev. Lett. 21,080404 (2018)]和《自然》雜志[Nature 557, 212 (2018)]雜志上,為最終實現無漏洞貝爾實驗檢驗奠定堅實的科學和技術基礎。 


重要而有趣的是,由于貝爾實驗與量子內稟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為是安全性最高的隨機數產生裝置,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產生的隨機數。因此目前國際上紛紛開展這種隨機數產生器的研制工作,美國國家標準局(NIST)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。


基于量子糾纏的量子隨機數產生示意圖


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偽造貝爾不等式測試的結果。


潘建偉、張強研究組在此前系列貝爾實驗中發展的技術基礎上,經過三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、調制等效率,并采用中科院上海微系統所開發的高效率超導單光子探測器件,實現了高性能糾纏光源的高效探測([Phys. Rev. Lett. 120,010503 (2018)]);然后通過設計快速調制并進行合適的空間分隔設計,滿足了器件無關的量子隨機數產生裝置所需的類空間隔要求。最終,在世界上首次實現了器件無關的量子隨機數產生器。


器件無關量子隨機數實驗裝置


該工作及后續工作將為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產生裝置,通過提供基于量子糾纏內稟隨機性的、高安全性的隨機數,爭取形成新一代的國家隨機數標準。


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


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