中国科大首次实现器件无关的量子随机数

9月20日，国际权威学术期刊《自然》在线发表中国科大潘建伟院士团队重要成果，他们与合作者在发展高品质纠缠光源和高效率单光子探测器件的基础上，利用量子纠缠的内禀随机性，在世界上首次成功实现器件无关的量子随机数。这项突破性成果将在数值模拟和密码学等领域得到广泛应用，有望形成新的随机数国际标准。

随机数在科学研究和日常生活中有着重要的应用：例如，天气预报、新药研发、新材料设计和核武器研制等领域，常常需要通过数值模拟进行计算，而数值模拟的关键就是要有大量随机数的输入；在游戏和人工智能等领域，需要使用随机数来控制系统的演化；在通信安全和现代密码学等领域，则需要第三方完全不知道的随机数作为安全性的基础。

以往获取随机数，通常有两类途径：基于软件算法实现或基于经典热噪声实现。但前者获取的随机数本质上是确定性的，并不真正随机；而后者获取的随机数，只是某种更难预测的伪随机数。量子力学的发现从根本上改变了这一局面，因为其基本物理过程具有经典物理中所不具有的内禀随机性，从而可以制造出真正的随机数产生器。

1964年，美国物理学家贝尔发现通过对量子纠缠进行关联测量，量子力学和定域确定性理论会对测量结果有着不同的预言。利用这个特性即可开展贝尔实验检验，从而判定量子力学的基础是否完备和量子随机性是否存在。

由于贝尔实验与量子内禀随机性存在着深刻的内在联系，贝尔实验的检验可以从根本上排除定域确定性理论，从而实现不依赖于器件的量子随机数，即器件无关量子随机数。这类随机数发生器被认为是安全性最高的随机数产生装置，即使采用恶意第三方制造的组件，或者窃听者拥有计算能力最强的量子计算机，也无法预测或获知它所产生的随机数。

潘建伟团队在此前系列贝尔实验中发展的技术基础上，经过三年多的努力发展了高性能纠缠光源，首先优化了纠缠光子收集、传输、调制等效率，并采用中科院上海微系统所开发的高效率超导单光子探测器件，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并进行合适的空间分隔设计，满足了器件无关的量子随机数产生装置所需的类空间隔要求。最终，在世界上首次实现了器件无关的量子随机数产生器。

(记者 桂运安)

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