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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事張強(qiáng)、南方科技大學(xué)范靖云等，與英國(guó)約克大學(xué)Roger Colbeck和清華大學(xué)馬雄峰分別合作，采用不同的理論方法，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)性擴(kuò)展，為設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)的實(shí)用化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)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)》[Nat. Physics17,448 (2021)]和《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 126, 050503 (2021)]上。

隨機(jī)性在人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)中無(wú)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(cè)和公益彩票等多個(gè)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(jī)數(shù)被認(rèn)為是區(qū)別于經(jīng)典隨機(jī)數(shù)的一種真正不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)性資源。然而，量子隨機(jī)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(huì)有隨機(jī)數(shù)泄露的隱患。設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生協(xié)議解決了這一問(wèn)題。與常規(guī)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器不同，根據(jù)貝爾理論的指導(dǎo)，它的安全性?xún)H僅與系統(tǒng)的輸入輸出相關(guān)而并不依賴(lài)于物理設(shè)備的質(zhì)量和可信度。用戶(hù)在使用這種量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器時(shí)，只需根據(jù)其輸入輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)判斷儀器是否發(fā)生故障或是否存在對(duì)設(shè)備構(gòu)成安全威脅的惡意攻擊。一旦統(tǒng)計(jì)結(jié)果符合協(xié)議要求，其安全性就得以保證。

設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的本質(zhì)在于，無(wú)漏洞貝爾不等式的違背證明了固有的量子相干性是隨機(jī)性的來(lái)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(tīng)者擁有強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)，該方案產(chǎn)生的隨機(jī)比特仍然具有目前最高等級(jí)的安全性，任何基于量子或經(jīng)典物理的策略都無(wú)法對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。

潘建偉團(tuán)隊(duì)和合作者于2018年首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，文章發(fā)表在《自然》(Nature)雜志[Nature 562, 548 (2018)]。但是在此實(shí)驗(yàn)方案中，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生過(guò)程中消耗的隨機(jī)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)出。隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的不可持續(xù)性阻礙了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。針對(duì)這一問(wèn)題，潘建偉團(tuán)隊(duì)及其合作者們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)性擴(kuò)展。他們與約克大學(xué)Roger Colbeck教授合作，在基于熵累積理論的實(shí)驗(yàn)中，約在19.2小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了2.57×108比特的隨機(jī)性?xún)粼黾?。英?guó)Bristol大學(xué)的Paul Skrzypczyk博士在《自然·物理學(xué)》的News & Views欄目撰文評(píng)價(jià)該工作“毫無(wú)疑問(wèn)提供了最高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)，是量子技術(shù)快速發(fā)展的一個(gè)里程碑”（ undoubtedly among the highest-quality randomness ever produced. Moreover, they constitute a milestone in the development of quantum technologies）。同時(shí)，與清華大學(xué)馬雄峰教授團(tuán)隊(duì)合作，在基于量子概率估計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)中，約在13.1小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.08×108比特的隨機(jī)性?xún)粼黾?。該工作被《物理評(píng)論快報(bào)》審稿人給予高度認(rèn)可，評(píng)論為“量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生/隨機(jī)擴(kuò)展領(lǐng)域中的開(kāi)創(chuàng)性工作”（I believe it will be considered a seminal work in the field of quantum random number generation/randomness expansion）。兩項(xiàng)研究成果分別使用不同的理論方案各自獨(dú)立完成，為未來(lái)設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)的商業(yè)化與實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。

該研究工作得到了中科院、科技部“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部、安徽省、上海市和廣東省的支持。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-020-01147-2

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）