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有了它 你可以抵御量子攻击

发布时间:2021-09-08 00:05:52来源:

导读 有了它,你可以抵御量子攻击。近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、范景云、马与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、日本基

有了它,你可以抵御量子攻击。

近日,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事张强、范景云、马与中国科学院上海微系统与信息技术研究所、日本基础科学实验室合作,在世界上首次成功实现了器件无关的量子随机数。相关研究成果于北京时间9月20日凌晨在线发表于《自然》杂志。这一突破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有着重要的应用。比如在天气预报、新药开发、材料设计、工业设计等领域。往往需要通过数值模拟进行计算,而数值模拟的关键是输入大量的随机数;在游戏和人工智能领域,需要用随机数来控制系统的进化。在通信安全、现代密码学等领域,需要第三方完全不知道的随机数作为安全的基础。

过去,获取随机数通常有两种方法:基于软件算法或基于经典热噪声。软件实现的随机数本质上是确定性的,但不是真正的随机。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,并基于此获得随机数,更难预测。但是,在牛顿力学的框架下,即使影响随机数生成的变量很多,在每个变量的初始状态确定后,整个系统的运行状态和输出在原理上是可以预测的,但只是一些比较难预测的伪随机数。

量子力学的发现从根本上改变了这种情况,因为它的基本物理过程具有经典物理所没有的内在随机性,从而可以制造出真正的随机数发生器。

量子纠缠的内在随机性是量子叠加态坍缩测量的随机性。量子纠缠也是量子叠加态,测量量子纠缠会随机坍缩。将量子测量的这种随机性应用到器件上,就是量子随机数发生器。这种与生俱来的随机性,从量子力学理论发展初期就深深困扰着爱因斯坦、薛定谔和温伯格等著名物理学家。1964年,美国物理学家贝尔对量子纠缠进行了关联测量,发现量子力学和定域的确定性理论对测量结果有不同的预测。有了这个特性,就可以进行贝尔实验来判断量子力学的基础是否完备,量子随机性是否存在。在贝尔理论提出后的几十年里,世界各地的许多科研团体进行了大量的实验,量子力学和量子随机性经受住了相关的实验检验。然而,到目前为止,仍然有两个漏洞需要关闭,即自由选择漏洞和崩溃的本地化漏洞。

针对这两个漏洞,潘建伟集团分别利用观测者自主选择产生的随机数和遥远恒星发光产生的随机数,今年在超高损耗和大量观测者参与下实现了贝尔测试。有趣的是,贝尔实验与量子内在随机性之间存在着深刻的内在联系,因此贝尔实验的检验可以从根本上消除局域确定性理论,从而实现与器件无关的量子随机数,即与器件无关的量子随机数。

“在现有的量子通信系统中,如果采用我们自己或者值得信赖的厂商制造的量子随机数发生器,其安全性是可以保证的。但是,如果我们不小心使用了恶意第三方制造的设备,就会发生随机数泄露。我们的新结果确保,即使在使用不信任第三方的设备时,也可以生成真实的随机数,并且不会泄露,从而确保通信安全。”潘建伟说。

这种随机数发生器被认为是最安全的随机数发生器,因此这种随机数发生器的研发在世界各地都有进行。美国国家标准与技术研究所

实现与器件无关的量子随机数发生器在实验中具有极高的技术挑战:整套随机数发生器需要以极高的效率产生、传输、调制和探测纠缠光子;同时,需要在不同组件之间设置适当的空间距离,以确保没有窃听者可以通过安全性最高的内部通信伪造Bell不等式测试结果。经过三年多的努力,潘建伟和张强的研究团队研制出了高性能纠缠光源。首先,他们优化了纠缠光子的收集、传输和调制效率,采用上海微系统与信息技术研究所研制的高效超导单光子探测器,实现了对高性能纠缠光源的高效探测。然后,通过设计快速调制和适当的空间分离设计,满足器件无关量子随机数发生器的类空间分离要求。最后,在国际上首次实现了一个能够抵御量子攻击的独立于设备的量子随机数发生器。

研究成果和后续研究工作将为密码学、数值模拟以及各种需要随机输入的领域提供真正可靠的随机性来源。同时,由于可信随机数源是现实条件下量子通信安全的关键环节,设备无关随机数的实验实现进一步保证了现实条件下量子通信的安全性。

未来,中国科学技术大学团队将构建高速稳定的设备无关量子随机数发生器,基于量子纠缠的内在随机性,提供高安全性的随机数,力争形成新一代随机数国际标准。

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