國際上首次成功實現(xiàn)器件無關(guān)的量子隨機數(shù)

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事張強、范靖云、馬雄峰等與中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和日本NTT基礎(chǔ)科學(xué)實驗室合作，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)。相關(guān)研究成果于北京時間9月20日凌晨在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。這項成果將在數(shù)值模擬和密碼學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有望形成新的隨機數(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)。

隨機數(shù)在科學(xué)研究和日常生活中都有著重要的應(yīng)用：例如，天氣預(yù)報、新藥研發(fā)、新材料設(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)的輸入；在游戲和人工智能等領(lǐng)域，需要使用隨機數(shù)來控制系統(tǒng)的演化；在通信安全和現(xiàn)代密碼學(xué)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)。

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?；诮?jīng)典熱噪聲的隨機數(shù)芯片讀取當(dāng)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(yù)測。然而在牛頓力學(xué)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(yù)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(yù)測的偽隨機數(shù)（pseudo random number）。量子力學(xué)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)（true random number）產(chǎn)生器。

量子力學(xué)這種內(nèi)稟的概率特性，從量子力學(xué)理論發(fā)展的初期就一直深深困擾著愛因斯坦、薛定諤和溫伯格等物理學(xué)家。愛因斯坦堅信“上帝是不會擲骰子的”(God does not play dice)，他認為一定存在著一個更高的確定性理論，量子力學(xué)只是該理論的近似，而量子力學(xué)的內(nèi)稟隨機性則只是因為人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(xué)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(xué)派則捍衛(wèi)量子隨機性，認為量子力學(xué)的基礎(chǔ)是完備的。兩個學(xué)派進行了長達30年的爭論，但在當(dāng)時，兩種觀念沒能給出在實驗上可以加以嚴(yán)格區(qū)分的精確預(yù)言，所有的爭論都局限于哲學(xué)層面。直到1964年，美國物理學(xué)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(xué)和定域確定性理論會對測量結(jié)果有著不同的預(yù)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(xué)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(xué)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(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(xué)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)了超高損耗下和有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》[Phys. Rev. Lett.120，140405 (2018)]、[Phys. Rev. Lett.21，080404 (2018)]和《自然》[Nature557, 212 (2018)]雜志上，為最終實現(xiàn)無漏洞貝爾實驗檢驗奠定堅實的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。

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(yù)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(biāo)準(zhǔn)局（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(biāo)準(zhǔn)。

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、張強研究組在此前系列貝爾實驗中發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)上，經(jīng)過三年多的努力發(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)所開發(fā)的高效率超導(dǎo)單光子探測器件，實現(xiàn)了高性能糾纏光源的高效探測[Phys. Rev. Lett.120，010503 (2018)]；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。

該工作及后續(xù)工作將為密碼學(xué)和數(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，中國科大團隊將建設(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家隨機數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

該研究工作得到中科院、科技部、國家自然科學(xué)基金委、教育部和安徽省的支持。

基于量子糾纏的量子隨機數(shù)產(chǎn)生示意圖

器件無關(guān)量子隨機數(shù)實驗裝置