以量子糾纏技術生成完美隨機數的 ETH Zurich 研究團隊取得突破

蘇黎世聯邦科技大學的研究人員開發出一種利用量子物理生成所謂的「完美」隨機數的方法，此突破可能加強加密系統及數字安全工具。該團隊使用兩個超導量子晶片通過一條長達 30 米的冷卻管連接起來，創建了這個系統。這一設置使研究人員能夠利用量子糾纏生成經過認證的隨機數，當對一個量子位進行測量時，會即時影響另一個量子位，無論距離多遠。隨機數對於加密、數字身份、彩票、區塊鏈系統和安全通信等技術至關重要。

然而，即使是現代的隨機數生成器，仍然可能存在微小的偏差，某些數字出現的頻率可能略高於其他數字。對於大多數應用來説，這些缺陷可以忽略不計，但在密碼學中，即使是最小的偏差也可能造成攻擊者利用的漏洞。

追求完美隨機性

量子隨機數生成技術的突破性進展

蘇黎世聯邦科技大學物理系教授 Renato Renner 表示：「這可能聽起來奇怪，但幾乎不可能創造出完美的硬幣或完美的骰子。無論骰子做得多麼對稱光滑，經過一次擲骰後，其中一個六面始終會稍微更頻繁地朝上。」研究人員表示，即使基於光子和光束分離器的量子隨機數生成器也並非完全不受系統性錯誤或偏差的影響。為瞭解決這個問題，蘇黎世聯邦科技大學團隊開發了一種稱為「隨機性放大」的過程，將不完美的隨機性轉變為經過認證的完美隨機性。

該實驗依賴於一項貝爾測試，這是一種在量子物理中用於驗證粒子之間糾纏的著名方法。研究人員使用兩個接近絕對零度的量子位，並通過微波光子在晶片之間進行連接。

另一位項目主要研究者 Andreas Wallraff 表示：「這得益於一種改進的貝爾測試，能同時實現高質量和高數據率。」兩個量子位之間的 30 米距離起著關鍵作用。研究人員指出，這一距離確保在測量過程中，即便是光速也無法在晶片之間傳遞信息，從而防止對隨機性產生幹擾。

量子晶片確保隨機性

研究團隊故意選擇使用不完美的隨機數生成器進行測量設置。然後，他們應用了一種專門的算法來放大所得測量的隨機性。Renner 表示：「得到的零和一的序列現在真的完全隨機，我們甚至可以證明這一點。」他將這一成就比作跨越了一個重大的技術門檻。他指出：「技術的改進使我們首次能夠創造出隨機數，這些數字將永遠保持完美隨機，無論使用何種分析方法來評估其隨機性。」

研究人員相信，這項技術最終可以成為安全數字系統值得信賴的隨機數來源，類似於原子鐘為當今提供的經過認證的時間標準。這項工作也可能支持未來的量子安全通信網絡，其中強加密在很大程度上依賴於高質量的隨機數。該研究已發表在期刊《自然》上。