馬雄峰研究組合作于《自然》發(fā)文 首次成功實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)
馬雄峰研究組合作于《自然》發(fā)文 首次成功實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)
2018年09月24日 瀏覽次數(shù): 0
近日，清華大學(xué)交叉信息院馬雄峰副教授及其博士生趙琦與中國(guó)科技大學(xué)潘建偉教授、張強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和日本NTT基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室合作，在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)。該工作的相關(guān)研究成果于9月19 日在線發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）雜志。此項(xiàng)研究提供了更為安全可靠的隨機(jī)數(shù)，將在數(shù)值模擬和密碼學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，為未來(lái)新的隨機(jī)數(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)打下鋪墊。
隨機(jī)數(shù)在人們的日常生活和科學(xué)研究中都有著重要應(yīng)用，如數(shù)值模擬、博彩、人工智能、通信安全等領(lǐng)域。經(jīng)典隨機(jī)數(shù)的獲取來(lái)自于軟件算法實(shí)現(xiàn)或經(jīng)典熱噪聲，他們都不是真正的隨機(jī)數(shù)，而是更難預(yù)測(cè)的偽隨機(jī)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，它具有經(jīng)典物理中所不具有的內(nèi)稟隨機(jī)性，從而可以制造出真正的隨機(jī)數(shù)（true random number）產(chǎn)生器。而一般量子隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生需要基于一定的對(duì)量子態(tài)或測(cè)量的假設(shè)，這些假設(shè)都在不同程度上減弱了量子隨機(jī)數(shù)的安全性。
量子力學(xué)具有的內(nèi)稟隨機(jī)性這一特性在量子力學(xué)理論發(fā)展的初期就一直深深困擾著物理學(xué)家們。1964年，美國(guó)物理學(xué)家貝爾發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)量子糾纏進(jìn)行關(guān)聯(lián)測(cè)量，量子力學(xué)和定域確定性理論會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有著不同的預(yù)言。利用這個(gè)特性即可開展貝爾實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)（Bell test），從而判定量子力學(xué)的基礎(chǔ)是否完備和量子隨機(jī)性是否存在。這一實(shí)驗(yàn)并不需要對(duì)設(shè)備的內(nèi)部工作原理進(jìn)行任何假設(shè)，只需要對(duì)實(shí)驗(yàn)中的輸入和輸出進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在后續(xù)的理論研究中人們發(fā)現(xiàn)貝爾實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)不僅可以從根本上排除定域確定性理論，更可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)不依賴于設(shè)備的量子隨機(jī)數(shù)，即設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)（DIQRNG）。這類隨機(jī)數(shù)發(fā)生器被認(rèn)為是安全性最高的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置。即使設(shè)備由竊聽者制造或者擁有量子存儲(chǔ)等最強(qiáng)的量子設(shè)備，這類隨機(jī)數(shù)發(fā)生器仍然是安全的。
實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器在實(shí)驗(yàn)上和理論上都具有極高的難度。馬雄峰副教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)設(shè)備無(wú)關(guān)的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的方案進(jìn)行了安全性分析，給出了在不同的假設(shè)、不同的總實(shí)驗(yàn)輪數(shù)下安全的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生碼率。同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)中一些重要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為實(shí)驗(yàn)的高效進(jìn)行提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。整套隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置實(shí)現(xiàn)了無(wú)漏洞的貝爾不等式違背，并最終在世界上首次實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。
圖1：不同總輪數(shù)下的隨機(jī)數(shù)成碼率。藍(lán)色實(shí)線和紅色虛線分別代表在有限碼長(zhǎng)情況下和獨(dú)立同分布情況下的隨機(jī)數(shù)成碼率。綠色點(diǎn)代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果。內(nèi)部插圖表示了時(shí)間積累下的總隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生。
圖2：設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置。（a）實(shí)驗(yàn)布局俯瞰圖。（b）糾纏源的產(chǎn)生裝置。（c）單光子測(cè)量裝置。
此項(xiàng)研究成果將為密碼學(xué)和數(shù)值模擬等不同領(lǐng)域提供真正可靠的隨機(jī)性來(lái)源，同時(shí)為未來(lái)的設(shè)備無(wú)關(guān)的隨機(jī)數(shù)拓展、隨機(jī)數(shù)放大、量子密鑰分發(fā)等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域打下鋪墊，從而推進(jìn)未來(lái)更快更安全的量子通信。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持，馬雄峰副教授為論文共同通訊作者，交叉信息院2014級(jí)直博生趙琦為論文第二作者。
論文全文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0559-3
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com