【要闻】世界领先!中国科大在国际上首次实现器件无关的量子随机数

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近日，记者从中国科技大学获悉，值此60周年校庆之际，中科大又传来喜讯，潘建伟教授团队在量子研究中，实现了世界上第一个与器件无关的量子随机数发生器。 发现这一突破性成果在数值模拟和密码学等行业得到广泛应用，有望形成新的随机数国际标准。

近日，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、范靖云、马雄峰等与中科院上海微系统和新闻技术研究所及日本ntt基础科学实验室合作，在快速发展高质量纠缠光源和高效单光子探测器部件的基础上，利用量子纠缠的内在自然随机性，在国际上首次 相关研究成果于北京时间9月20日凌晨在国际权威学术杂志《自然》杂志网上发表。 这一划时代的成果将广泛应用于数值模拟和密码学等行业，有望形成新的随机数国际标准。

随机数在科学研究和日常生活中有重要的应用:如天气预报、新药开发、新材料设计和核武器研究开发等行业，经常需要通过数值模拟进行计算，数值模拟的关键是需要输入大量的随机数。 在游戏和人工智能等行业，需要使用随机数控制系统进化的通信安全和现代密码学等行业，需要第三者完全不知道的随机数作为安全的基础。

以往，取得随机数的方法有基于软件算法的方法和基于经典热噪声的方法两种。 软件算法实现的随机数基于使用算法输入的随机数种子给出均匀分布的输出。 但是，对于明确的输入，固定的算法会给出明确的输出序列，从这个角度来看，这样的随机数本质上是明确的，并不是真正随机的。 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，并基于此得到随机数。 这种装置相对于基于软件算法的实现来说，由于环境内的变量越来越多，因此难以预测。 但是，在牛顿力学的框架中，尽管影响随机数产生的变量非常多，但各变量的初始状态明确后，系统整体的动作状态和输出在原理上是可以预测的。 因为这样的装置也是基于明确的过程的，只不过是更难以预测的伪随机数( pseudo random number )。 量子力学的发现彻底改变了这一局面。 因为基本的物理过程具有经典物理中没有的固有随机性，可以制作真正的随机数发生器。

潘建伟、张强研究组基于以往系列贝尔实验迅速发展的技术，经过3年多的努力，迅速发展了高性能纠缠光源，首先优化了纠缠光子的收集、传输、调制等效率，由中科院上海微系统开发的高效超导单光子检测 然后，通过设计高速调制，进行适当的空间分离设计，满足了与设备无关的量子随机数发生装置所需的类空间分离要求。 最终，世界上首次实现了与设备无关的量子随机数发生器。

器件无关量子随机数实验装置

由于该业务及后续业务为需要密码学、数值模拟和随机性输入的各行业提供了真正可靠的随机性源，且可靠的随机数源是现实条件下量子通信安全性的重要环节，所以与器件无关，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。 未来，中国科学大团队将建设高速稳定的器件无相关量子随机数发生器，基于量子纠缠内部固有的随机性，提供高安全性的随机数，从而形成新一代的国家随机数标准。