潘建偉介紹，中科大團隊未來將建設高速穩定的器件無關量子隨機數產生裝置，通過提供基于量子糾纏內稟隨機性的、高安全性的隨機數，爭取形成新一代的國際隨機數標準。

中國科學技術大學、中國科學院上海微系統研究所和日本電信電話株式會社基礎科學實驗室的科學家合作，日前在國際上首次成功實現器件無關的量子隨機數。相關成果于北京時間20日的在線發表于學術期刊《自然》上。

　　這項成果由中國科學院院士潘建偉領導，將在數值模擬、密碼學等領域得到廣泛應用，有望形成新的隨機數國際標準。潘建偉介紹，在科學研究和日常生活中，隨機數都有重要應用。例如，天氣預報、新藥研制、材料設計、工業設計和核武器研制等領域，常常需要輸入大量隨機數以進行數值模擬計算；在游戲、人工智能等領域，需要使用隨機數來控制系統的演化；在通信安全、現代密碼學等領域，則需要第三方完全不知道的隨機數作為安全性的基礎。

　　以往通常有兩類獲取隨機數的途徑：基于軟件算法實現或基于經典熱噪聲實現。但這兩種方法都只能產生“偽隨機數”——軟件算法實現的隨機數是利用算法根據輸入的隨機數“種子”給出均勻分布的輸出；基于經典熱噪聲的隨機數芯片讀取當前物理環境中的噪聲，并據此獲得隨機數。如果我們知道軟件算法的“種子”和物理環境噪聲的參數，就能夠找出數字產生的公式，從而預測后面將要出現的數字，那這就不是真正的“隨機數”了。

　　那么，我們是否能夠制造真正的隨機數？量子力學的發現從根本上改變了這一局面，因為其基本物理過程具有經典物理中所不具有的內稟隨機性，從而可以制造出真正的隨機數產生器。

　　但這個論斷從誕生那天起，就充滿爭議。愛因斯坦是反對派，他堅信“上帝是不會擲骰子的”，認為一定存在著一個更高的確定性理論，量子力學只是該理論的近似，而量子力學的內稟隨機性則只是因為我們不了解這種理論而帶來的誤解。愛因斯坦和薛定諤等人提出了量子糾纏的概念，試圖用量子糾纏這種奇怪的量子狀態來論證量子力學基礎的不完備和量子隨機性的荒謬。以玻爾為首的哥本哈根學派則是量子隨機性的支持者，認為量子力學的基礎是完備的。兩個學派進行了長達30年的爭論，但當時兩種觀念都沒能給出在實驗上可以加以嚴格區分的精確預言，所有的爭論都局限于哲學層面。1964年，美國物理學家貝爾發現通過對量子糾纏進行關聯測量，量子力學和定域確定性理論會對測量結果有著不同的預言。利用這個特性即可開展貝爾實驗檢驗，從而判定量子力學的基礎是否完備和量子隨機性是否存在。

　　貝爾的理論提出之后的幾十年中，世界各國的眾多科研小組進行了大量的實驗，量子力學和量子隨機性經受住了相關的實驗檢驗。然而截至目前，這一理論仍有兩個漏洞需要被補上，才能平息爭議——自由選擇漏洞和塌縮的定域性漏洞。

　　潘建偉小組長期從事量子力學基礎檢驗，針對這兩個漏洞，他們分別利用觀察者自主選擇和遙遠星體發光產生的隨機數，于今年分別實驗實現了超高損耗下和大量觀察者參與的貝爾實驗檢驗，文章先后發表在學術期刊《物理評論快報》和《自然》上。

　　重要而有趣的是，貝爾實驗的檢驗可以從根本上排除定域確定性理論，從而實現不依賴于器件的量子隨機數，即器件無關量子隨機數。這類隨機數發生器被認為是安全性最高的隨機數產生裝置，即使采用惡意第三方制造的組件，或者竊聽者擁有計算能力最強的量子計算機，也無法預測或獲知它所產生的隨機數。因此目前國際上紛紛開展這種隨機數產生器的研制工作，美國國家標準與技術研究院（NIST）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際標準。

　　實現器件無關的量子隨機數產生器在實驗上具有極高的技術挑戰：整套隨機數產生裝置需要以極高的效率進行糾纏光子的產生、傳輸、調制、探測；同時，不同組件間需要設置合適的空間距離以滿足類空間隔要求，才能以最高的安全性保證任何竊聽者不能通過內部通信偽造貝爾不等式測試的結果。

　　潘建偉、張強研究組經過三年多的努力發展了高性能糾纏光源，首先優化了糾纏光子收集、傳輸、調制等效率，并采用上海微系統與信息技術研究所開發的高效率超導單光子探測器，實現了高性能糾纏光源的高效探測；然后通過設計快速調制并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器件無關的量子隨機數產生器。

　　潘建偉說：“在現有的量子通信系統中，如果采用自己制備的或者可信制造商制備的量子隨機數產生器，其安全性是可以得到保障的。但是如果我們不小心采用了惡意第三方所制造的器件，就會發生隨機數泄露。我們新的成果則確保即使是使用不信任第三方的器件的情況下，也可以產生真隨機數，并且不會泄露，從而確保通信的安全。”

（原載于《光明日報》 2018-09-21 09版）