美国科罗拉多大学开发量子纠缠效应构建全新随机数生成器

强大的激光脉冲被聚焦到一个小晶体中，产生成对的纠缠光子。随后，纠缠的光子对被发送到远程站点。在远程站点测量随机位时会生成随机位。

phys.org 网站当地时间 3 月 9 日报道称，科罗拉多大学 (CU)/美国国家标准与技术研究院 (NIST) 和日本电报电话公司 (NTT) 的研究人员开发了一种随机数生成协议。该协议适用于多种量子系统，为开发更安全、更高效的随机数发生器奠定了基础。

“我们一直想了解如何应用量子纠缠效应来构建全新的随机数发生器，”研究员 Lynden Krister Shalm 说。

此前，Shalm 等人。试图利用量子纠缠的非局部性质以与设备无关的方式生成随机位。系统的安全性主要取决于黑客无法以超过光速的速度发送信息。

“我们设计的系统与依赖物理过程（如放射性衰变或数学算法）的传统随机数发生器有很大不同，”Shalm 说。

基于物理过程或数学算法的随机数生成器需要满足许多额外的假设。为了利用量子纠缠产生高度安全的随机比特，新系统必须消耗大量的随机性，这将大大降低系统的效率。

“当我在 2017 年初访问 CU/NIST 时，我很高兴得知 Shalm 团队已经能够执行与设备无关的随机数生成，”研究员 Yanbao Zhang 说，“但是这样的实验消耗了太多的随机位，并且“只能产生少量高质量的认证随机位。因此，我们希望推动与设备无关的随机缩放，从而产生更多的认证输出位。”

为此，Zhang 和 Shalm 等人。设计了一种利用少量“种子随机性”来生成更多经过量子验证的随机位的方法。这是新系统与其他随机数生成器之间的显着差异之一。

“这与从晶种中生长出大型结构的方式非常相似，”Shalm 说。“使用新系统，我们能够输出比输入多 24% 的随机位。”

原则上，新系统可以以无限扩展输入种子的随机性的方式运行。由于技术要求非常苛刻，为了实现随机缩放，研究人员不得不将实验系统推到目前的极限。

为了将随机输入种子扩展为与设备无关的随机位，研究人员必须巧妙地利用种子位。该系统通过特殊的“无错误贝尔测试”来实现这一点。

“我们没有对所有纠缠光子进行这种消耗随机性的测试，而是以随机方式‘抽查’一些光子，以确保系统按预期运行，”Shalm 说。“这类似于食品行业的随机抽样检测。值得注意的是随机数生成算法干嘛用，我们必须非常小心，确保抽查过程中没有漏洞。”

张补充说：“以2000个西红柿的质量检测为例，常规协议需要消耗2000个有偏随机位，而新协议仅消耗1000个均匀随机位。在实践中，均匀随机位比有偏随机位更容易。 “从 NIST 随机信标中获得。因此抽查方案更加友好。”

新结果也可能促进科学家对量子力学随机性的理解。“从更实际的角度来看，我们的实验是原始量子网络的例子，其中纠缠的粒子在严格的条件下被交换和操纵随机数生成算法干嘛用，以完成其他经典（包括局部量子）系统无法做到的事情，”Shalm 说。任务。新系统可以服务于需要使用随机样本资源的各种应用，例如选择陪审员、协助随机审计选举系统，甚至协助更公平的国会选区。有了新系统，占主导地位的地区划分将成为量子力学，而不是政客。目前，我们正试图让新系统具备全面服务能力。”

原始科学

编译：雷新宇

审稿人：西莫