北京
蘇黎世聯邦理工學院的研究人員利用糾纏量子芯片生成了經過認證的完美隨機性。
蘇黎世聯邦理工學院的研究人員開發出一種利用量子物理學生成所謂“完美”隨機數的方法，這一突破有望加強加密系統和數字安全工具。
該團隊使用兩個超導量子芯片搭建系統，芯片之間由一根長30米的冷卻管連接。通過利用量子糾纏——即對一個量子比特的測量會瞬間影響遠處另一個量子比特——該裝置使研究人員能夠生成經過認證的隨機數。
隨機數對于加密、數字身份、彩票、區塊鏈系統以及安全通信等技術至關重要。然而，即便是現代的隨機數生成器也可能包含微小的偏差，即某些數字出現的頻率會略高于其他數字。
對于大多數應用來說，這些不完美之處可以忽略不計。但在密碼學領域，即使是最微小的偏差也可能產生可供攻擊者利用的漏洞。
追求完美的隨機性
蘇黎世聯邦理工學院物理系教授雷納托·倫納表示：“這聽起來可能有些奇怪，但要制造出一枚完美的硬幣或一顆完美的骰子幾乎是不可能的。無論骰子做得多么對稱、多么光滑，投擲后，它的六個面中總有一個會略微更頻繁地朝上。”
研究人員稱，即便是基于光子和分束器的量子隨機數生成器也無法完全擺脫系統誤差或偏差。為解決這一問題，蘇黎世聯邦理工學院的團隊開發了一種名為“隨機性放大”的過程，可將不完美的隨機性轉化為經過認證的完美隨機性。
這項實驗依賴于貝爾測試，這是量子物理學中一種用于驗證粒子間是否存在糾纏的著名方法。研究人員使用了兩個被冷卻到接近絕對零度的量子比特，并通過在芯片之間傳輸的微波光子將它們連接起來。
該項目的另一位首席研究員安德烈亞斯·瓦爾拉夫表示：“這之所以成為可能，得益于一種改進的貝爾測試，它同時具備高質量和高數據速率。”
兩個量子比特之間30米的距離起到了關鍵作用。據研究人員介紹，這段距離確保在測量期間，任何信息都無法在芯片之間傳遞——即使以光速也不行，從而防止了對隨機性的干擾。
量子芯片一錘定音
研究團隊有意使用一個不完美的隨機數生成器來選擇測量設置，然后應用專門的算法來放大所得測量結果的隨機性。
倫納說：“最終得到的0和1序列現在確實是完美隨機的，而且我們甚至可以對此進行認證?！?/p>
他將這一成就比作跨越了一個重大的技術門檻?！斑@些技術改進使我們首次能夠創造出永遠保持完美隨機的數字——無論使用什么分析方法來評估其隨機性?！?/p>
研究人員相信，這項技術最終可以成為安全數字系統可信的隨機性來源，就像今天的原子鐘為計時提供認證標準一樣。
這項工作也可能為未來的量子安全通信網絡提供支持，在這些網絡中，強加密在很大程度上依賴于高質量的隨機數。
這項研究發表在《自然》期刊上。
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