中國首次實現器件無關的量子隨機數

中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、范靖雲、馬雄峰等與中國科學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9月20日凌晨在線發表在《自然》雜誌上。這項突破性成果將在數值模擬、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。

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、調製等效率，並採用中科院上海微系統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。

該工作及後續工作將為密碼學、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。

「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。但是如果人們不小心採用了惡意第三方所製造的器件，就會發生隨機數泄漏。」潘建偉說，「我們的新成果確保了即使是使用不信任的第三方器件的情況下，也可以產生真隨機數，並且不會泄漏，從而確保通信的安全。」

潘建偉透露，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，爭取形成新一代的國際隨機數標準。

隨機數在科學研究和日常生活中都有著重要的應用，如天氣預報、新葯設計、材料設計、工業設計、遊戲、人工智慧、通信安全、現代密碼學等領域都有應用。然而，以往基於軟體演算法或基於經典熱雜訊實現的隨機數都有著各自的缺陷，因此，目前國際上紛紛開展器件無關的量子隨機數產生器的研製工作。

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