中国科大在国际上首次实现器件无关的量子随机数

中国科学技术大学潘剑伟教授及其同事张强、范景云、马等人与中国科学院上海微系统与信息技术研究所和日本基础科学实验室合作，在研制高质量纠缠光源和高效单光子探测器的基础上，利用量子纠缠的内在随机性，在世界上首次成功实现了器件无关的量子随机数。相关的研究结果发表在9月20日清晨的《自然》杂志上。这一突破性成果将广泛应用于数值模拟、密码学等领域，并有望形成一个新的随机数国际标准。

独立于器件的量子随机数发生器的实现在实验中具有极高的技术挑战:一套完整的随机数发生器需要以极高的效率产生、传输、调制和检测纠缠光子；同时，需要在不同组件之间设置适当的空间距离，以满足类空间分隔的要求，从而确保任何窃听者都不能通过内部通信伪造贝尔不等式测试结果，具有最高的安全性。

经过三年多的努力，潘剑伟和张强的研究团队已经研制出了高性能的纠缠光源。一是优化了纠缠光子的收集、传输和调制效率，采用中国科学院上海微系统研究所研制的高效超导单光子探测器实现了高性能纠缠光源的高效探测。然后，通过设计快速调制和适当的空间分离设计，独立于器件的量子随机数发生器可以满足类空间分离的要求。最后，世界上首次实现了与器件无关的量子随机数发生器。

这项工作及其后续工作将为密码学、数值模拟和需要随机输入的各种领域提供真正可靠的随机性来源。同时，独立于设备的随机数的实验实现将进一步保证真实条件下量子通信的安全性，因为可信随机数源是真实条件下量子通信安全性的关键环节。

“在现有的量子通信系统中，如果采用由自己或可信的制造商制备的量子随机数发生器，其安全性可以得到保证。但是，如果人们不小心使用了恶意第三方制造的设备，就会发生随机数泄漏。”潘建伟说:“我们的新结果确保即使使用不可信的第三方设备，也能生成真实的随机数，不会泄露，从而确保通信安全。”

潘剑伟透露，未来，HKUST团队将构建一个高速、稳定、独立于设备的量子随机数发生器，并努力基于量子纠缠的内在随机性提供高安全性随机数，从而形成新一代国际随机数标准。

随机数在科学研究和日常生活中有着重要的应用，如天气预报、新药设计、材料设计、工业设计、游戏、人工智能、通信安全、现代密码学等领域。然而，基于软件算法或经典热噪声的随机数在过去有其自身的缺陷。因此，许多国家已经开发了独立于设备的量子随机数发生器。

多伊:http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0559-3