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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在量子隨機數(shù)研究領(lǐng)域取得重要原創(chuàng)性進(jìn)展。該團隊韓正甫教授及其合作者王雙、銀振強、陳巍等提出了一種新型的半設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)發(fā)生器協(xié)議并進(jìn)行了實驗驗證。該協(xié)議即使在光源不可信條件下，也無需對探測設(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數(shù)。該協(xié)議全面地提升了量子隨機數(shù)發(fā)生器的安全性與實用性，為半設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)發(fā)生器的實用化奠定了堅實基礎(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)表于著名國際學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上。

圖1 新型半設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

隨機數(shù)是信息時代的一種重要基礎(chǔ)資源。量子隨機數(shù)發(fā)生器基于量子物理原理產(chǎn)生具有內(nèi)稟隨機性的真隨機數(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，量子隨機數(shù)發(fā)生器更是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，現(xiàn)實中的量子隨機數(shù)發(fā)生器可能具有的非理想性會破壞隨機數(shù)的不可預(yù)測性和私密性。雖然完全設(shè)備無關(guān)型量子隨機數(shù)發(fā)生器可以容忍這些非理想性，但其協(xié)議實現(xiàn)困難，隨機數(shù)產(chǎn)生速率低，成本高昂，距離實用化仍有很遠(yuǎn)的距離。

半設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)發(fā)生器對部分組件的要求大大放寬，提供了一種實際可行的安全實現(xiàn)方案，因而受到廣泛關(guān)注。但因為已有的半設(shè)備無關(guān)方案忽略了一些關(guān)鍵因素對其性能的影響，限制了其在現(xiàn)實條件下的應(yīng)用。針對這一問題，韓正甫課題組開了深入的研究，于2020年提出容忍探測器后脈沖的源無關(guān)協(xié)議（npj Quantum Information, 6, 100 (2020)），2022年進(jìn)一步降低了源無關(guān)量子隨機數(shù)發(fā)生器對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關(guān)量子隨機數(shù)發(fā)生器的實用性，但均仍需要對測量設(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測量設(shè)備進(jìn)行表征的新型半設(shè)備無關(guān)量子隨機數(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端無表征條件下的安全性。課題組同時使用鹵素?zé)暨@一日常光源和激光器完成了驗證實驗，產(chǎn)生的隨機數(shù)速率與目前商用隨機數(shù)發(fā)生器相當(dāng)，但安全性顯著優(yōu)于后者。該成果在保證隨機數(shù)快速生成和系統(tǒng)簡潔實用的同時，大幅地降低了對設(shè)備可信度和刻畫表征的要求，其思想和實現(xiàn)方案對突破高性能、高安全量子隨機數(shù)發(fā)生器的研究瓶頸具有重要推動作用。

該工作的第一作者為中科院量子信息重點實驗室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教授。這項工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省和香港大學(xué)啟動資金的支持。

標(biāo)簽： 隨機數(shù)發(fā)生器 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 測量設(shè)備