有望形成新的随机数国际标准

●创新点

随机数在科学研究和日常生活中都有着重要的应用。例如，天气预报、新药研制、材料设计、工业设计等领域，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、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、现代密码学等领域，需要第三方完全不知道的随机数作为安全性基础。以往随机数通常基于软件算法实现或基于经典热噪声实现。软件算法实现的随机数本质上是确定性的，并不是真正的随机。基于经典热噪声的随机数芯片读取当前物理环境中的噪声，并据此获得随机数。然而，在牛顿力学的框架下，即使影响随机数产生的变量非常多，但在每个变量的初始状态确定后，整个系统的运行状态及输出在原理上是可以预测的，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，由于其基本物理过程具有经典物理中所不具有的内禀随机性，因此可以制造出真正的随机数。量子纠缠内禀随机性就是量子叠加态测量塌缩的随机性。量子纠缠也是一种量子叠加态，测量量子纠缠也会随机塌缩，把这种量子测量的随机性应用到器件里，就是量子随机数发生器。然而，到目前为止，量子随机数发生器尚有两个漏洞需要关闭，即自由选择漏洞和塌缩的定域性漏洞。中国科学技术大学潘建伟团队长期从事量子力学基础检验，针对这两个漏洞，分别利用观察者自主选择和遥远星体发光产生的随机数，首次实现了器件无关的量子随机数产生器。

●方法和结果

实现器件无关的量子随机数产生器在实验上具有极高的技术挑战：整套随机数产生装置需要以极高的效率进行纠缠光子的产生、传输、调制、探测；同时，不同组件间需要设置合适的空间距离，才能以最高的安全性保证任何窃听者都不能通过内部通信伪造贝尔不等式测试的结果。潘建伟研究团队经过3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、调制等环节的效率，并采用上海微系统与信息技术研究所开发的高效率超导单光子探测器，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可以防御量子攻击的器件无关量子随机数发生器。

应用前景

该研究成果及后续研究工作将为密码学、数值模拟以及需要随机性输入的各个领域提供真正可靠的随机性来源。同时，由于可信任的随机数源是现实条件下量子通信安全性的关键环节，器件无关随机数的实现也进一步确保了现实条件下量子通信的安全性，为将来形成新一代的随机数国际标准奠定基础。

Source：Liu Yang, Zhao Qi, Li Ming-Han, et al. Device-independent quantum random-number generation[J/OL]. Nature, 2018. https://www.nature.com/articles/s41586-018-0559-3.