中國科學家這項突破，讓我國擁有防禦量子攻擊的秘密武器！

軍情 09-22

近日，中國科學技術大學多位教授聯合中科院上海微系統與信息技術研究所與日本NTT基礎科學實驗室合作，成為國際上首次成功實現器件無關的量子隨機數。這項突破性成果，有望形成新的隨機數國際標準。

隨機數在科學研究和日常生活中都有廣泛運用，例如：在天氣預報、新葯研製、材料設計、工業設計等領域，常需要大量隨機數的輸入從而進行數值模擬計算；在遊戲、人工智慧等領域，常需要隨機數來控制系統的演化；在通信安全、現代密碼學等領域，常需要第三方完全不知道的隨機數作為安全性的基礎。

傳統獲取隨機數的方法有：基於軟體演算法獲取與基於經典熱雜訊獲取兩種途徑。然而在牛頓力學的框架下，儘管影響隨機數產生的變數有很多，但每個變數初始狀態確定後，整個系統的運行狀態及輸出其實在原理上還是可以預測的，只不過變成某種更難預測的偽隨機數。所以，傳統獲取隨機數的方法並不能真正地做到隨機。

量子力學就從本質上改變這種缺陷，因為其具有經典物理中所不具有的內稟隨機性，可以製造出真正的隨機數產生器。也就是說，量子力學內部就是一個隨機的事物，沒有人能預測其下一秒會變成什麼樣，一個連其自身都不知道會變成什麼樣的事物，才能產生真正的隨機數。

1964年，美國物理學家貝爾對量子糾纏（量子內稟的本質）進行關聯測量，發現量子力學和定域確定性理論對測量結果有不同的預言。利用其這個特性進行貝爾實驗檢驗，從而能夠判斷量子力學的基礎是否完備及量子隨機性是否存在。貝爾理論提出後，世界眾多科研小組進行了大量實驗，量子力學及量子隨機性完全能經受住考驗。但是目前為止，其仍存在兩個漏洞，自由選擇漏洞與塌縮的定域性漏洞。

中國科學技術大學的教授們針對這兩個漏洞，分別利用觀察者自主選擇和遙遠星體發光產生的隨機數，在超高損耗情況下進行貝爾實驗，發現貝爾實驗的檢驗可以從根本上排除定域確定性理論，從而實現不依賴於器件的量子隨機數，即器件無關量子隨機數。這樣在現有的量子通信系統中，如果採用自己製備的或者可信製造商製備的量子隨機數產生器，其安全性是可以得到保障的。這也就意味著，我們的通訊安全就能做到100%的安全。

目前，這種量子隨機數發生器被認為是安全性最高的隨機數產生裝置；因此，國際上也紛紛進行這種隨機數產生器的研製工作。美國國家標準與技術研究院正計劃利用器件無關的量子隨機數產生器建立新一代的隨機數國家標準。

實現器件無關的量子隨機數產生器，在實驗上具有極大的技術難度。中國科學技術大學教授們經過長達3年多的努力，發展了高性能糾纏光源，通過優化糾纏光子收集、傳輸、調製等環節的效率，同時採用上海微系統與信息技術研究所研製的高效率超導單光子探測器，完成了高性能糾纏光源的高效探測。然後，研究者們又通過設計快速調製並進行合適的空間分隔設計，滿足了器件無關的量子隨機數產生裝置所需的類空間隔要求。最終，在世界上首次實現了可以防禦量子攻擊的器件無關量子隨機數產生器。