基于量子糾纏的量子隨機數(shù)產(chǎn)生示意圖。中科大潘建偉團隊/供圖
中新網(wǎng)北京9月20日電 (記者 孫自法)記者20日中國科學院獲悉，中國科學技術(shù)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(tǒng)與信息技術(shù)研究所和日本電信電話株式會社(NTT)基礎(chǔ)科學實驗室合作，近日在發(fā)展高品質(zhì)糾纏光源和高效率單光子探測器件的基礎(chǔ)上，利用量子糾纏的內(nèi)稟隨機性，在國際上首次成功實現(xiàn)器件無關(guān)的量子隨機數(shù)，從而實現(xiàn)可以防御量子攻擊。
這項量子力學的突破性成果，將在數(shù)值模擬、密碼學等領(lǐng)域得到廣泛應用，并有望形成新的隨機數(shù)國際標準。相關(guān)研究成果已于北京時間20日凌晨在線發(fā)表于國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然》雜志上。
潘建偉介紹說，隨機數(shù)在科學研究和日常生活中有著重要而廣泛的應用：例如，在天氣預報、新藥設(shè)計、材料設(shè)計、工業(yè)設(shè)計和核武器研制等領(lǐng)域，常常需要通過數(shù)值模擬進行計算，而數(shù)值模擬的關(guān)鍵就是要有大量隨機數(shù)輸入;在游戲、博彩、人工智能等領(lǐng)域，需要使用隨機數(shù)來控制系統(tǒng)的演化;在通信安全、現(xiàn)代密碼學等領(lǐng)域，則需要第三方完全不知道的隨機數(shù)作為安全性的基礎(chǔ)。事實上，無論經(jīng)典密碼學還是量子保密通信，都需要真正的隨機數(shù)作為保障。
器件無關(guān)量子隨機數(shù)實驗裝置。中科大潘建偉團隊/供圖
以往通常有兩類獲取隨機數(shù)的途徑：基于軟件算法實現(xiàn)或基于經(jīng)典熱噪聲實現(xiàn)。軟件算法實現(xiàn)的隨機數(shù)是利用算法根據(jù)輸入的隨機數(shù)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(shù)本質(zhì)上是確定性的，并不真正隨機。基于經(jīng)典熱噪聲的隨機數(shù)芯片讀取當前物理環(huán)境中的噪聲，并據(jù)此獲得隨機數(shù)。這類裝置相對于基于軟件算法的實現(xiàn)，由于環(huán)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(shù)產(chǎn)生的變量非常多，但在每個變量的初始狀態(tài)確定后，整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)及輸出在原理上是可以預測的，因此這一類裝置的也是基于確定性的過程，只是某種更難預測的偽隨機數(shù)。量子力學的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了這一局面，因為其基本物理過程具有經(jīng)典物理中所不具有的內(nèi)稟隨機性，從而可以制造出真正的隨機數(shù)產(chǎn)生器。
量子力學這種內(nèi)稟的概率特性，從量子力學理論發(fā)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”，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(nèi)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(tài)來論證量子力學基礎(chǔ)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(wèi)量子隨機性，認為量子力學的基礎(chǔ)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(qū)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(fā)現(xiàn)通過對量子糾纏進行關(guān)聯(lián)測量，量子力學和定域確定性理論會對測量結(jié)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(chǔ)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(jīng)受住了相關(guān)的實驗檢驗。然而到目前為止，尚有兩個漏洞需要關(guān)閉，即自由選擇漏洞和塌縮的定域性漏洞。潘建偉小組長期從事量子力學基礎(chǔ)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(fā)光產(chǎn)生的隨機數(shù)，于今年分別實驗實現(xiàn)了超高損耗下和大量觀察者參與的貝爾實驗檢驗，文章先后發(fā)表在《物理評論快報》和《自然》雜志上。
此外，重要而有趣的是，由于貝爾實驗與量子內(nèi)稟隨機性存在著深刻的內(nèi)在聯(lián)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(xiàn)不依賴于器件的量子隨機數(shù)，即器件無關(guān)量子隨機數(shù)。這類隨機數(shù)發(fā)生器被認為是安全性最高的隨機數(shù)產(chǎn)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(chǎn)生的隨機數(shù)。因此，目前國際上紛紛開展這種隨機數(shù)產(chǎn)生器的研制工作，美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)正計劃利用器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器建立新一代的隨機數(shù)國家標準。
實現(xiàn)器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器在實驗上具有極高的技術(shù)挑戰(zhàn)：整套隨機數(shù)產(chǎn)生裝置需要以極高的效率進行糾纏光子的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制、探測;同時，不同組件間需要設(shè)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(nèi)部通信偽造貝爾不等式測試的結(jié)果。
潘建偉、張強研究組經(jīng)過3年多的努力發(fā)展了高性能糾纏光源，首先優(yōu)化了糾纏光子收集、傳輸、調(diào)制等效率，并采用上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所開發(fā)的高效率超導單光子探測器，實現(xiàn)了高性能糾纏光源的高效探測;然后通過設(shè)計快速調(diào)制并進行合適的空間分隔設(shè)計，滿足了器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生裝置所需的類空間隔要求。最終，在世界上首次實現(xiàn)了器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器。
潘建偉表示，在現(xiàn)有的量子通信系統(tǒng)中，如果采用自己制備的或者可信制造商制備的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器，其安全性是可以得到保障的。但是如果不小心采用了惡意第三方所制造的器件，就會發(fā)生隨機數(shù)泄漏。“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(chǎn)生真隨機數(shù)，并且不會泄漏，從而確保通信的安全”。
這次在國際上首次成功實現(xiàn)器件無關(guān)的量子隨機數(shù)的最新成果，與此前發(fā)表在《物理評論快報》的星光隨機數(shù)成果有何不同?潘建偉指出，星光隨機數(shù)的實驗是檢驗量子力學非定域性的一個重要工作，而本成果則是在此前的量子力學原理檢驗中發(fā)展起來的技術(shù)基礎(chǔ)上，優(yōu)化了糾纏光子收集、傳輸、調(diào)制等效率，并采用上海微系統(tǒng)所開發(fā)的高效率超導單光子探測器件，實現(xiàn)了高性能糾纏光源的高效制備;通過設(shè)計快速調(diào)制并進行合適的空間分隔設(shè)計，滿足了器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生裝置所需的類空間隔要求。“最終，在世界上首次實現(xiàn)了可以防御量子攻擊的器件無關(guān)量子隨機數(shù)產(chǎn)生器”。
據(jù)了解，實現(xiàn)器件無關(guān)的量子隨機數(shù)的研究及后續(xù)工作將為密碼學、數(shù)值模擬以及需要隨機性輸入的各個領(lǐng)域提供真正可靠的隨機性來源，同時由于可信任的隨機數(shù)源是現(xiàn)實條件下量子通信安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，器件無關(guān)隨機數(shù)的實驗實現(xiàn)也進一步確保了現(xiàn)實條件下量子通信的安全性。未來，中科大潘建偉團隊將建設(shè)高速穩(wěn)定的器件無關(guān)量子隨機數(shù)產(chǎn)生裝置，通過提供基于量子糾纏內(nèi)稟隨機性的、高安全性的隨機數(shù)，爭取形成新一代的國際隨機數(shù)標準。(完)
