近日，记者从中国科学技术大学获悉，正值60周年校庆，中科大又传来喜讯，潘建伟教授团队在量子研究上又有了新的突破——在世界上首次实现了器件无关的量子随机数产生器。据了解，这项突破性成果将在数值模拟和密码学等领域得到广泛的应用，有望形成新的随机数国际标准。
近日，中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、范靖云、马雄峰等与中科院上海微系统与信息技术研究所和日本NTT基础科学实验室合作，在发展高品质纠缠光源和高效率单光子探测器件的基础上，利用量子纠缠的内禀随机性，在国际上首次成功实现器件无关的量子随机数。相关研究成果于北京时间9月20日凌晨在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这项突破性成果将在数值模拟和密码学等领域得到广泛的应用，有望形成新的随机数国际标准。
随机数在科学研究和日常生活中都有着重要的应用：例如，天气预报、新药研发、新材料设计和核武器研制等领域，常常需要通过数值模拟进行计算，而数值模拟的关键就是要有大量随机数的输入；在游戏和人工智能等领域，需要使用随机数来控制系统的演化；在通信安全和现代密码学等领域，则需要第三方完全不知道的随机数作为安全性的基础。
以往通常有两类获取随机数的途径：基于软件算法实现或基于经典热噪声实现。软件算法实现的随机数是利用算法根据输入的随机数种子给出均匀分布的输出。然而，对于确定的输入，固定的算法将给出确定的输出序列，从这个角度上来说，这类随机数本质上是确定性的，并不真正随机。基于经典热噪声的随机数芯片读取当前物理环境中的噪声，并据此获得随机数。这类装置相对于基于软件算法的实现，由于环境中的变量更多，因此更难预测。然而在牛顿力学的框架下，即使影响随机数产生的变量非常多，但在每个变量的初始状态确定后，整个系统的运行状态及输出在原理上是可以预测的，因此这一类装置也是基于确定性的过程，只是某种更难预测的伪随机数(pseudo random number)。量子力学的发现从根本上改变了这一局面，因为其基本物理过程具有经典物理中所不具有的内禀随机性，从而可以制造出真正的随机数(true random number)产生器。
潘建伟、张强研究组在此前系列贝尔实验中发展的技术基础上，经过三年多的努力发展了高性能纠缠光源，首先优化了纠缠光子收集、传输、调制等效率，并采用中科院上海微系统所开发的高效率超导单光子探测器件，实现了高性能纠缠光源的高效探测([Phys. Rev. Lett. 120，010503 (2018)])；然后通过设计快速调制并进行合适的空间分隔设计，满足了器件无关的量子随机数产生装置所需的类空间隔要求。最终，在世界上首次实现了器件无关的量子随机数产生器。
该工作及后续工作将为密码学和数值模拟以及需要随机性输入的各个领域提供真正可靠的随机性来源，同时由于可信任的随机数源是现实条件下量子通信安全性的关键环节，器件无关随机数的实验实现也进一步确保了现实条件下量子通信的安全性。未来，中国科大团队将建设高速稳定的器件无关量子随机数产生装置，通过提供基于量子纠缠内禀随机性的、高安全性的随机数，争取形成新一代的国家随机数标准。(记者：聂静洁)
