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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子隨機(jī)數(shù)研究領(lǐng)域取得重要原創(chuàng)性進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)韓正甫教授及其合作者王雙、銀振強(qiáng)、陳巍等提出了一種新型的半設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器協(xié)議并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該協(xié)議即使在光源不可信條件下，也無(wú)需對(duì)探測(cè)設(shè)備進(jìn)行表征，使用日常光源即可快速生成安全的量子隨機(jī)數(shù)。該協(xié)議全面地提升了量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的安全性與實(shí)用性，為半設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的實(shí)用化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果于7月28日以“Certified Randomness from Untrusted Sources and Uncharacterized Measurements”為題在線發(fā)表于著名國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上。

圖1 新型半設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

隨機(jī)數(shù)是信息時(shí)代的一種重要基礎(chǔ)資源。量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器基于量子物理原理產(chǎn)生具有內(nèi)稟隨機(jī)性的真隨機(jī)數(shù)，為科學(xué)仿真、密碼學(xué)等領(lǐng)域提供了極大的助力。在目前受到廣泛關(guān)注的量子保密通信中，量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器更是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，現(xiàn)實(shí)中的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可能具有的非理想性會(huì)破壞隨機(jī)數(shù)的不可預(yù)測(cè)性和私密性。雖然完全設(shè)備無(wú)關(guān)型量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以容忍這些非理想性，但其協(xié)議實(shí)現(xiàn)困難，隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生速率低，成本高昂，距離實(shí)用化仍有很遠(yuǎn)的距離。

半設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器對(duì)部分組件的要求大大放寬，提供了一種實(shí)際可行的安全實(shí)現(xiàn)方案，因而受到廣泛關(guān)注。但因?yàn)橐延械陌朐O(shè)備無(wú)關(guān)方案忽略了一些關(guān)鍵因素對(duì)其性能的影響，限制了其在現(xiàn)實(shí)條件下的應(yīng)用。針對(duì)這一問(wèn)題，韓正甫課題組開(kāi)了深入的研究，于2020年提出容忍探測(cè)器后脈沖的源無(wú)關(guān)協(xié)議（npj Quantum Information, 6, 100 (2020)），2022年進(jìn)一步降低了源無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器對(duì)非理想因素的敏感性（Optics Express, 30, 25474-25485 (2022)）。這些工作顯著提高了源無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的實(shí)用性，但均仍需要對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行精確的表征。

近期，該課題組基于平滑熵的不確定關(guān)系和量子剩余哈希定理，提出了一種不需要對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行表征的新型半設(shè)備無(wú)關(guān)量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器協(xié)議，并證明了該協(xié)議在源端不可信和探測(cè)端無(wú)表征條件下的安全性。課題組同時(shí)使用鹵素?zé)暨@一日常光源和激光器完成了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)速率與目前商用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器相當(dāng)，但安全性顯著優(yōu)于后者。該成果在保證隨機(jī)數(shù)快速生成和系統(tǒng)簡(jiǎn)潔實(shí)用的同時(shí)，大幅地降低了對(duì)設(shè)備可信度和刻畫(huà)表征的要求，其思想和實(shí)現(xiàn)方案對(duì)突破高性能、高安全量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的研究瓶頸具有重要推動(dòng)作用。

該工作的第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2022屆博士畢業(yè)生林幸和2021屆博士畢業(yè)生、香港大學(xué)博士后王榮，通訊作者為王雙教授和銀振強(qiáng)教授。這項(xiàng)工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省和香港大學(xué)啟動(dòng)資金的支持。

標(biāo)簽： 隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 測(cè)量設(shè)備