近日，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張强、南方科技大學範靖雲等，與英國約克大學Roger Colbeck和清華大學馬雄峰分別合作，採用不同的理論方法，在國際上首次實現了設備無關的量子隨機性擴展，為設備無關量子亂數的實用化發展奠定了堅實基礎。相關的研究成果近日分別發表於《自然•物理學》[Nat.Physics17448（2021）]和《物理評論快報》[Phys.Rev.Lett.126，050503（2021）]上。
隨機性在人類的生產活動中無處不在，也是自然界的基本屬性之一，在資訊安全、數值模擬、抽樣檢測和公益彩票等多個領域中有著重要的應用。基於量子物理內禀特性產生的量子亂數被認為是區別於經典亂數的一種真正不可預測的隨機性資源。然而，量子亂數產生器若使用了惡意協力廠商生產的器件或設備，會有亂數洩露的隱患。設備無關的量子亂數產生協定解决了這一問題。與常規的量子亂數產生器不同，根據貝爾理論的指導，它的安全性僅僅與系統的輸入輸出相關而並不依賴於物理設備的質量和可信度。用戶在使用這種量子亂數產生器時，只需根據其輸入輸出數據的統計結果來判斷儀器是否發生故障或是否存在對設備構成安全威脅的惡意攻擊。一旦統計結果符合協定要求，其安全性就得以保證。
設備無關的量子亂數產生的本質在於，無漏洞貝爾不等式的違背證明了固有的量子相干性是隨機性的來源。即使在極端條件下，設備本身不可信或受到協力廠商控制，乃至竊聽者擁有强大的量子電腦，該方案產生的隨機比特仍然具有現時最高等級的安全性，任何基於量子或經典物理的策略都無法對結果進行預測。
潘建偉團隊和合作者於2018年首次實驗實現了設備無關的量子亂數產生，文章發表在《自然》（Nature）雜誌[Nature562，548（2018）]。但是在此實驗方案中，亂數產生過程中消耗的隨機性遠遠大於產出。亂數產生的不可持續性阻礙了其在實際應用中的推廣。針對這一問題，潘建偉團隊及其合作者們設計並實現了設備無關的量子隨機性擴展。他們與約克大學Roger Colbeck教授合作，在基於熵累積理論的實驗中，約在19.2小時內實現了2.57×108比特的隨機性淨新增。英國Bristol大學的Paul Skrzypczyk博士在《自然·物理學》的News & Views欄目撰文評估該工作“毫無疑問提供了最高質量的亂數，是量子科技快速發展的一個里程碑”（undoubtedly among the highest-quality randomness ever produced. Moreover，they constitute a milestone in the development of quantum technologies）。同時，與清華大學馬雄峰教授團隊合作，在基於量子概率估計方法的實驗中，約在13.1小時內實現了1.08×108比特的隨機性淨新增。該工作被《物理評論快報》審稿人給予高度認可，評論為“量子亂數產生/隨機擴展領域中的開創性工作”（I believe it will be considered a seminal work in the field of quantum random number generation/randomness expansion）。兩項研究成果分別使用不同的理論方案各自獨立完成，為未來設備無關量子亂數的商業化與實用化奠定基礎。
該研究工作得到了中科院、科技部“973”項目、國家自然科學基金、教育部、安徽省、上海市和廣東省的支持。
文章連結：https://www.nature.com/articles/s41567-020-01147-2
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.050503