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中國科學技術大學郭光燦院士團隊在量子隨機數(shù)研究領域取得重要原創(chuàng)性進展。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備無關量子隨機數(shù)發(fā)生器協(xié)議并進行了實驗驗證。該協(xié)議即使在光源不可信條件下，也無需對探測設備進行表征，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，為半設備無關量子隨機數(shù)發(fā)生器的實用化奠定了堅實基礎。相關研究成果于7月28日以“Certified Randomness from Untrusted Sources and Uncharacterized Measurements”為題在線發(fā)表于著名國際學術期刊《Physical Review Letters》上。

圖1 新型半設備無關量子隨機數(shù)發(fā)生器結構示意圖

隨機數(shù)是信息時代的一種重要基礎資源。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)，為科學仿真、密碼學等領域提供了極大的助力。在目前受到廣泛關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)的不可預測性和私密性。雖然完全設備無關型量子隨機數(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的距離。

半設備無關量子隨機數(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，因而受到廣泛關注。但因為已有的半設備無關方案忽略了一些關鍵因素對其性能的影響，限制了其在現(xiàn)實條件下的應用。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協(xié)議（npj Quantum Information, 6, 100 (2020)），2022年進一步降低了源無關量子隨機數(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量子隨機數(shù)發(fā)生器的實用性，但均仍需要對測量設備進行精確的表征。

近期，該課題組基于平滑熵的不確定關系和量子剩余哈希定理，提出了一種不需要對測量設備進行表征的新型半設備無關量子隨機數(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燈這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，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、國家自然科學基金委、中國科學院、安徽省和香港大學啟動資金的支持。

標簽： 隨機數(shù)發(fā)生器 中國科學技術大學 測量設備