記者從中國科學(xué)院獲悉，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所和日本電信電話株式會社基礎(chǔ)科學(xué)實驗室的科學(xué)家合作，日前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)成果于北京時間20日的在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

　　這項成果由中國科學(xué)院院士潘建偉領(lǐng)導(dǎo)，將在數(shù)值模擬、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)。潘建偉介紹，在科學(xué)研究和日常生活中，隨機數(shù)都有重要應(yīng)用。例如，天氣預(yù)報、新藥研制、材料設(shè)計、工業(yè)設(shè)計和核武器研制等領(lǐng)域，常常需要輸入大量隨機數(shù)以進行數(shù)值模擬計算；在游戲、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(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)。但這兩種方法都只能產(chǎn)生“偽隨機數(shù)”——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；基于經(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)。如果我們知道軟件算法的“種子”和物理環(huán)境噪聲的參數(shù)，就能夠找出數(shù)字產(chǎn)生的公式，從而預(yù)測后面將要出現(xiàn)的數(shù)字，那這就不是真正的“隨機數(shù)”了。

　　那么，我們是否能夠制造真正的隨機數(shù)？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)產(chǎn)生器。

　　但這個論斷從誕生那天起，就充滿爭議。愛因斯坦是反對派，他堅信“上帝是不會擲骰子的”，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(xué)基礎(chǔ)的不完備和量子隨機性的荒謬。以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派則是量子隨機性的支持者，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，但當(dāng)時兩種觀念都沒能給出在實驗上可以加以嚴格區(qū)分的精確預(yù)言，所有的爭論都局限于哲學(xué)層面。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。然而截至目前，這一理論仍有兩個漏洞需要被補上，才能平息爭議——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(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)了超高損耗下和大量觀察者參與的貝爾實驗檢驗，文章先后發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》和《自然》上。

　　重要而有趣的是，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)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)國際標(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)與信息技術(shù)研究所開發(fā)的高效率超導(dǎo)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。

　　潘建偉說：“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。但是如果我們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)泄露。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)，并且不會泄露，從而確保通信的安全。”

　　潘建偉介紹，中科大團隊未來將建設(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(biāo)準(zhǔn)。

　　（原載于《光明日報》 2018-09-21 09版）