近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉院士團隊與國內(nèi)外科研團隊合作，采用不同的理論方法，在國際上首次實現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)的量子隨機性擴展，為設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)的實用化發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，相關(guān)的研究成果近日分別發(fā)表于《自然·物理學(xué)》和《物理評論快報》上。
隨機性在人類的生產(chǎn)活動中無處不在，也是自然界的基本屬性之一，在信息安全、數(shù)值模擬、抽樣檢測和公益彩票等多個領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用?；诹孔游锢韮?nèi)稟特性產(chǎn)生的量子隨機數(shù)被認為是區(qū)別于經(jīng)典隨機數(shù)的一種真正不可預(yù)測的隨機性資源。然而，量子隨機數(shù)產(chǎn)生器若使用了惡意第三方生產(chǎn)的器件或設(shè)備，會有隨機數(shù)泄露的隱患。設(shè)備無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生協(xié)議解決了這一問題。與常規(guī)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生器不同，根據(jù)貝爾理論的指導(dǎo)，它的安全性僅僅與系統(tǒng)的輸入輸出相關(guān)而并不依賴于物理設(shè)備的質(zhì)量和可信度。用戶在使用這種量子隨機數(shù)產(chǎn)生器時，只需根據(jù)其輸入輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果來判斷儀器是否發(fā)生故障或是否存在對設(shè)備構(gòu)成安全威脅的惡意攻擊。一旦統(tǒng)計結(jié)果符合協(xié)議要求，其安全性就得以保證。
設(shè)備無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生的本質(zhì)在于，無漏洞貝爾不等式的違背證明了固有的量子相干性是隨機性的來源。即使在極端條件下，設(shè)備本身不可信或受到第三方控制，乃至竊聽者擁有強大的量子計算機，該方案產(chǎn)生的隨機比特仍然具有目前最高等級的安全性，任何基于量子或經(jīng)典物理的策略都無法對結(jié)果進行預(yù)測。
潘建偉團隊和合作者于2018年首次實驗實現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生，文章發(fā)表在《自然》雜志。但是在此實驗方案中，隨機數(shù)產(chǎn)生過程中消耗的隨機性遠遠大于產(chǎn)出。隨機數(shù)產(chǎn)生的不可持續(xù)性阻礙了其在實際應(yīng)用中的推廣。針對這一問題，潘建偉團隊及其合作者們設(shè)計并實現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)的量子隨機性擴展?？蒲袌F隊與約克大學(xué)合作，在基于熵累積理論的實驗中，約在19.2小時內(nèi)實現(xiàn)了2.57×108比特的隨機性凈增加。同時，與清華大學(xué)科研團隊合作，在基于量子概率估計方法的實驗中，約在13.1小時內(nèi)實現(xiàn)了1.08×108比特的隨機性凈增加。該工作被《物理評論快報》審稿人給予高度認可，評論為“量子隨機數(shù)產(chǎn)生/隨機擴展領(lǐng)域中的開創(chuàng)性工作”。兩項研究成果分別使用不同的理論方案各自獨立完成，為未來設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)的商業(yè)化與實用化奠定基礎(chǔ)。(總臺央視記者帥俊全)
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