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2021-04-15 11:17 |
中國科大實(shí)現(xiàn)設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)性擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事張強(qiáng)、南方科技大學(xué)范靖云等，與英國約克大學(xué)Roger Colbeck和清華大學(xué)馬雄峰分別合作，采用不同的理論方法，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)的量子隨機(jī)性擴(kuò)展，為設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)的實(shí)用化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相關(guān)的研究成果近日分別發(fā)表于《自然•物理學(xué)》[Nat. Physics17,448 (2021)]和《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 126, 050503 (2021)]上。 <5=^s%H
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隨機(jī)性在人類的生產(chǎn)活動中無處不在，也是自然界的基本屬性之一，在信息安全、數(shù)值模擬、抽樣檢測和公益彩 票等多個領(lǐng)域中有著重要的應(yīng)用。基于量子物理內(nèi)稟特性產(chǎn)生的量子隨機(jī)數(shù)被認(rèn)為是區(qū)別于經(jīng)典隨機(jī)數(shù)的一種真正不可預(yù)測的隨機(jī)性資源。然而，量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器若使用了惡意第三方生產(chǎn)的器件或設(shè)備，會有隨機(jī)數(shù)泄露的隱患。設(shè)備無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生協(xié)議解決了這一問題。與常規(guī)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器不同，根據(jù)貝爾理論的指導(dǎo)，它的安全性僅僅與系統(tǒng)的輸入輸出相關(guān)而并不依賴于物理設(shè)備的質(zhì)量和可信度。用戶在使用這種量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器時，只需根據(jù)其輸入輸出數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果來判斷儀器是否發(fā)生故障或是否存在對設(shè)備構(gòu)成安全威脅的惡意攻擊。一旦統(tǒng)計結(jié)果符合協(xié)議要求，其安全性就得以保證。 @2V#bK
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設(shè)備無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的本質(zhì)在于，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(jī)性的來源。即使在極端條件下，設(shè)備本身不可信或受到第三方控制，乃至竊聽者擁有強(qiáng)大的量子計算機(jī)，該方案產(chǎn)生的隨機(jī)比特仍然具有目前最高等級的安全性，任何基于量子或經(jīng)典物理的策略都無法對結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。 K;Fy&p^d
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潘建偉團(tuán)隊(duì)和合作者于2018年首次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，文章發(fā)表在《自然》(Nature)雜志[Nature 562, 548 (2018)]。但是在此實(shí)驗(yàn)方案中，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生過程中消耗的隨機(jī)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)出。隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生的不可持續(xù)性阻礙了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。針對這一問題，潘建偉團(tuán)隊(duì)及其合作者們設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)的量子隨機(jī)性擴(kuò)展。他們與約克大學(xué)Roger Colbeck教授合作，在基于熵累積理論的實(shí)驗(yàn)中，約在19.2小時內(nèi)實(shí)現(xiàn)了2.57×108比特的隨機(jī)性凈增加。英國Bristol大學(xué)的Paul Skrzypczyk博士在《自然·物理學(xué)》的News & Views欄目撰文評價該工作“毫無疑問提供了最高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)，是量子技術(shù)快速發(fā)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(xué)馬雄峰教授團(tuán)隊(duì)合作，在基于量子概率估計方法的實(shí)驗(yàn)中，約在13.1小時內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.08×108比特的隨機(jī)性凈增加。該工作被《物理評論快報》審稿人給予高度認(rèn)可，評論為“量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生/隨機(jī)擴(kuò)展領(lǐng)域中的開創(chuàng)性工作”（I believe it will be considered a seminal work in the field of quantum random number generation/randomness expansion）。兩項(xiàng)研究成果分別使用不同的理論方案各自獨(dú)立完成，為未來設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)的商業(yè)化與實(shí)用化奠定基礎(chǔ)。 u`g|u:(r
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該研究工作得到了中科院、科技部“973”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、教育部、安徽省、上海市和廣東省的支持。
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文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41567-020-01147-2 }qxw Nmx
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https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.050503
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