文章來源：中國(guó)科學(xué)技術大學(xué) 上海微系統與信息技術研究所 發(fā)布時間：2018-09-20 【字号： 小 中 大 】
近日，中國(guó)科學(xué)技術大學(xué)教授潘建偉及其同事(shì)張強、範靖雲、馬雄峰等與中國(guó)科學(xué)院上海微系統與信息技術研究所和日本NTT基礎科學(xué)實驗室合作，在發(fā)展高品質糾纏光源和高效率單光子探測器件的基礎上，利用量子糾纏的内禀随機性，在國(guó)際上首次成(chéng)功實現器件無關的量子随機數。相關研究成(chéng)果于北京時間9月20日淩晨在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術期刊《自然》雜志上。這(zhè)項成(chéng)果將(jiāng)在數值模拟和密碼學(xué)等領域得到廣泛應用，有望形成(chéng)新的随機數國(guó)際标準。
随機數在科學(xué)研究和日常生活中都(dōu)有着重要的應用：例如，天氣預報、新藥研發(fā)、新材料設計和核武器研制等領域，常常需要通過(guò)數值模拟進(jìn)行計算，而數值模拟的關鍵就是要有大量随機數的輸入；在遊戲和人工智能(néng)等領域，需要使用随機數來控制系統的演化；在通信安全和現代密碼學(xué)等領域，則需要第三方完全不知道(dào)的随機數作爲安全性的基礎。
以往通常有兩(liǎng)類獲取随機數的途徑：基于軟件算法實現或基于經(jīng)典熱噪聲實現。軟件算法實現的随機數是利用算法根據輸入的随機數種(zhǒng)子給出均勻分布的輸出。然而，對(duì)于确定的輸入，固定的算法將(jiāng)給出确定的輸出序列，從這(zhè)個角度上來說，這(zhè)類随機數本質上是确定性的，并不真正随機。基于經(jīng)典熱噪聲的随機數芯片讀取當前物理環境中的噪聲，并據此獲得随機數。這(zhè)類裝置相對(duì)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(xué)的框架下，即使影響随機數産生的變量非常多，但在每個變量的初始狀态确定後(hòu)，整個系統的運行狀态及輸出在原理上是可以預測的，因此這(zhè)一類裝置也是基于确定性的過(guò)程，隻是某種(zhǒng)更難預測的僞随機數（pseudo random number）。量子力學(xué)的發(fā)現從根本上改變了這(zhè)一局面(miàn)，因爲其基本物理過(guò)程具有經(jīng)典物理中所不具有的内禀随機性，從而可以制造出真正的随機數（true random number）産生器。
量子力學(xué)這(zhè)種(zhǒng)内禀的概率特性，從量子力學(xué)理論發(fā)展的初期就一直深深困擾着愛因斯坦、薛定谔和溫伯格等物理學(xué)家。愛因斯坦堅信“上帝是不會擲骰子的”(God does not play dice)，他認爲一定存在着一個更高的确定性理論，量子力學(xué)隻是該理論的近似，而量子力學(xué)的内禀随機性則隻是因爲人們不了解這(zhè)種(zhǒng)理論而帶來的誤解。愛因斯坦和薛定谔等人提出了量子糾纏的概念，試圖用量子糾纏這(zhè)種(zhǒng)奇怪的量子狀态來論證量子力學(xué)基礎的不完備和量子随機性的荒謬。而以玻爾爲首的哥本哈根學(xué)派則捍衛量子随機性，認爲量子力學(xué)的基礎是完備的。兩(liǎng)個學(xué)派進(jìn)行了長(cháng)達30年的争論，但在當時，兩(liǎng)種(zhǒng)觀念沒(méi)能(néng)給出在實驗上可以加以嚴格區分的精确預言，所有的争論都(dōu)局限于哲學(xué)層面(miàn)。直到1964年，美國(guó)物理學(xué)家貝爾發(fā)現通過(guò)對(duì)量子糾纏進(jìn)行關聯測量，量子力學(xué)和定域确定性理論會對(duì)測量結果有着不同的預言。利用這(zhè)個特性即可開(kāi)展貝爾實驗檢驗，從而判定量子力學(xué)的基礎是否完備和量子随機性是否存在。
貝爾的理論提出之後(hòu)的幾十年中，世界各國(guó)的衆多科研小組進(jìn)行了大量的實驗，量子力學(xué)和量子随機性經(jīng)受住了相關的實驗檢驗。然而到目前爲止，尚有兩(liǎng)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(cháng)期從事(shì)量子力學(xué)基礎檢驗，針對(duì)這(zhè)兩(liǎng)個漏洞，他們分别利用觀察者自主選擇和遙遠星體發(fā)光産生的随機數，于今年分别實驗實現了超高損耗下和有觀察者參與的貝爾實驗檢驗，文章先後(hòu)發(fā)表在《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 120，140405 (2018)]、[Phys. Rev. Lett. 21，080404 (2018)]和《自然》[Nature 557, 212 (2018)]雜志上，爲最終實現無漏洞貝爾實驗檢驗奠定堅實的科學(xué)和技術基礎。
重要而有趣的是，由于貝爾實驗與量子内禀随機性存在着深刻的内在聯系，貝爾實驗的檢驗可以從根本上排除定域确定性理論，從而實現不依賴于器件的量子随機數，即器件無關量子随機數。這(zhè)類随機數發(fā)生器被認爲是安全性最高的随機數産生裝置，即使采用惡意第三方制造的組件，或者竊聽者擁有計算能(néng)力最強的量子計算機，也無法預測或獲知它所産生的随機數。因此目前國(guó)際上紛紛開(kāi)展這(zhè)種(zhǒng)随機數産生器的研制工作，美國(guó)國(guó)家标準局（NIST）正計劃利用器件無關的量子随機數産生器建立新一代的随機數國(guó)家标準。
實現器件無關的量子随機數産生器在實驗上具有極高的技術挑戰：整套随機數産生裝置需要以極高的效率進(jìn)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适的空間距離以滿足類空間隔要求，才能(néng)以最高的安全性保證任何竊聽者不能(néng)通過(guò)内部通信僞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(fā)展的技術基礎上，經(jīng)過(guò)三年多的努力發(fā)展了高性能(néng)糾纏光源，首先優化了糾纏光子收集、傳輸、調制等效率，并采用上海微系統所開(kāi)發(fā)的高效率超導單光子探測器件，實現了高性能(néng)糾纏光源的高效探測[Phys. Rev. Lett. 120，010503 (2018)]；然後(hòu)通過(guò)設計快速調制并進(jìn)行合适的空間分隔設計，滿足了器件無關的量子随機數産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随機數産生器。
該工作及後(hòu)續工作將(jiāng)爲密碼學(xué)和數值模拟以及需要随機性輸入的各個領域提供真正可靠的随機性來源，同時由于可信任的随機數源是現實條件下量子通信安全性的關鍵環節，器件無關随機數的實驗實現也進(jìn)一步确保了現實條件下量子通信的安全性。未來，中國(guó)科大團隊將(jiāng)建設高速穩定的器件無關量子随機數産生裝置，通過(guò)提供基于量子糾纏内禀随機性的、高安全性的随機數，争取形成(chéng)新一代的國(guó)家随機數标準。
該研究工作得到中科院、科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、教育部和安徽省的支持。
基于量子糾纏的量子随機數産生示意圖
器件無關量子随機數實驗裝置
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