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　　記者從中國(guó)科學(xué)院獲悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)研究所和日本電信電話株式會(huì)社基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家合作，日前在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)器件無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)。相關(guān)成果于北京時(shí)間20日的在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

　　這項(xiàng)成果由中國(guó)科學(xué)院院士潘建偉領(lǐng)導(dǎo)，將在數(shù)值模擬、密碼學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有望形成新的隨機(jī)數(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。潘建偉介紹，在科學(xué)研究和日常生活中，隨機(jī)數(shù)都有重要應(yīng)用。例如，天氣預(yù)報(bào)、新藥研制、材料設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)和核武器研制等領(lǐng)域，常常需要輸入大量隨機(jī)數(shù)以進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；在游戲、人工智能等領(lǐng)域，需要使用隨機(jī)數(shù)來(lái)控制系統(tǒng)的演化；在通信安全、現(xiàn)代密碼學(xué)等領(lǐng)域，則需要第三方完全不知道的隨機(jī)數(shù)作為安全性的基礎(chǔ)。

　　以往通常有兩類獲取隨機(jī)數(shù)的途徑：基于軟件算法實(shí)現(xiàn)或基于經(jīng)典熱噪聲實(shí)現(xiàn)。但這兩種方法都只能產(chǎn)生“偽隨機(jī)數(shù)”——軟件算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)是利用算法根據(jù)輸入的隨機(jī)數(shù)“種子”給出均勻分布的輸出；基于經(jīng)典熱噪聲的隨機(jī)數(shù)芯片讀取當(dāng)前物理環(huán)境中的噪聲，并據(jù)此獲得隨機(jī)數(shù)。如果我們知道軟件算法的“種子”和物理環(huán)境噪聲的參數(shù)，就能夠找出數(shù)字產(chǎn)生的公式，從而預(yù)測(cè)后面將要出現(xiàn)的數(shù)字，那這就不是真正的“隨機(jī)數(shù)”了。

　　那么，我們是否能夠制造真正的隨機(jī)數(shù)？量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)從根本上改變了這一局面，因?yàn)槠浠疚锢磉^(guò)程具有經(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)產(chǎn)生器。

　　但這個(gè)論斷從誕生那天起，就充滿爭(zhēng)議。愛因斯坦是反對(duì)派，他堅(jiān)信“上帝是不會(huì)擲骰子的”，認(rèn)為一定存在著一個(gè)更高的確定性理論，量子力學(xué)只是該理論的近似，而量子力學(xué)的內(nèi)稟隨機(jī)性則只是因?yàn)槲覀儾涣私膺@種理論而帶來(lái)的誤解。愛因斯坦和薛定諤等人提出了量子糾纏的概念，試圖用量子糾纏這種奇怪的量子狀態(tài)來(lái)論證量子力學(xué)基礎(chǔ)的不完備和量子隨機(jī)性的荒謬。以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派則是量子隨機(jī)性的支持者，認(rèn)為量子力學(xué)的基礎(chǔ)是完備的。兩個(gè)學(xué)派進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)30年的爭(zhēng)論，但當(dāng)時(shí)兩種觀念都沒能給出在實(shí)驗(yàn)上可以加以嚴(yán)格區(qū)分的精確預(yù)言，所有的爭(zhēng)論都局限于哲學(xué)層面。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)，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。

　　貝爾的理論提出之后的幾十年中，世界各國(guó)的眾多科研小組進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，量子力學(xué)和量子隨機(jī)性經(jīng)受住了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。然而截至目前，這一理論仍有兩個(gè)漏洞需要被補(bǔ)上，才能平息爭(zhēng)議——自由選擇漏洞和塌縮的定域性漏洞。

　　潘建偉小組長(zhǎng)期從事量子力學(xué)基礎(chǔ)檢驗(yàn)，針對(duì)這兩個(gè)漏洞，他們分別利用觀察者自主選擇和遙遠(yuǎn)星體發(fā)光產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，于今年分別實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了超高損耗下和大量觀察者參與的貝爾實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，文章先后發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》和《自然》上。

　　重要而有趣的是，貝爾實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)可以從根本上排除定域確定性理論，從而實(shí)現(xiàn)不依賴于器件的量子隨機(jī)數(shù)，即器件無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)。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，即使采用惡意第三方制造的組件，或者竊聽者擁有計(jì)算能力最強(qiáng)的量子計(jì)算機(jī)，也無(wú)法預(yù)測(cè)或獲知它所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)。因此目前國(guó)際上紛紛開展這種隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器的研制工作，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）正計(jì)劃利用器件無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器建立新一代的隨機(jī)數(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

　　實(shí)現(xiàn)器件無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器在實(shí)驗(yàn)上具有極高的技術(shù)挑戰(zhàn)：整套隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置需要以極高的效率進(jìn)行糾纏光子的產(chǎn)生、傳輸、調(diào)制、探測(cè)；同時(shí)，不同組件間需要設(shè)置合適的空間距離以滿足類空間隔要求，才能以最高的安全性保證任何竊聽者不能通過(guò)內(nèi)部通信偽造貝爾不等式測(cè)試的結(jié)果。

　　潘建偉、張強(qiáng)研究組經(jīng)過(guò)三年多的努力發(fā)展了高性能糾纏光源，首先優(yōu)化了糾纏光子收集、傳輸、調(diào)制等效率，并采用上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所開發(fā)的高效率超導(dǎo)單光子探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了高性能糾纏光源的高效探測(cè)；然后通過(guò)設(shè)計(jì)快速調(diào)制并進(jìn)行合適的空間分隔設(shè)計(jì)，滿足了器件無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置所需的類空間隔要求。最終，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了器件無(wú)關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。

　　潘建偉說(shuō)：“在現(xiàn)有的量子通信系統(tǒng)中，如果采用自己制備的或者可信制造商制備的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，其安全性是可以得到保障的。但是如果我們不小心采用了惡意第三方所制造的器件，就會(huì)發(fā)生隨機(jī)數(shù)泄露。我們新的成果則確保即使是使用不信任第三方的器件的情況下，也可以產(chǎn)生真隨機(jī)數(shù)，并且不會(huì)泄露，從而確保通信的安全。”

　　潘建偉介紹，中科大團(tuán)隊(duì)未來(lái)將建設(shè)高速穩(wěn)定的器件無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生裝置，通過(guò)提供基于量子糾纏內(nèi)稟隨機(jī)性的、高安全性的隨機(jī)數(shù)，爭(zhēng)取形成新一代的國(guó)際隨機(jī)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　（原載于《光明日?qǐng)?bào)》 2018-09-21 09版）