我國量子保密通信安全研究迎來(lái)又一重大突破。前不久，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉團隊宣布，利用量子糾纏的內稟隨機性，在國際上首次成功實(shí)現器件無(wú)關(guān)的量子隨機數。這項突破性成果將在數值模擬、密碼學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應用，有望形成新的隨機數國際標準

無(wú)論經(jīng)典密碼學(xué)還是量子保密通信，都需要真正的隨機數作為保障。在現有量子保密通信系統中，如果不小心采用了惡意第三方制造的量子隨機數器件，就可能發(fā)生隨機數泄露。根據中國電子科技集團公司首席專(zhuān)家、中國網(wǎng)絡(luò )信息安全有限公司總工程師饒志宏的說(shuō)法，“器件無(wú)關(guān)”是指，即使在隨機數產(chǎn)生系統的部分乃至全部器件來(lái)自于不可信廠(chǎng)商的惡意器件情況下，也可以產(chǎn)生不會(huì )泄露的真隨機數。也就是說(shuō)，“系統的安全性與器件的具體情況無(wú)關(guān)”。

無(wú)處不在的隨機數

在眾多領(lǐng)域，常常需要通過(guò)數值模擬進(jìn)行計算，而數值模擬的關(guān)鍵就是要有大量隨機數的輸入

無(wú)論是在科學(xué)研究還是日常生活中，隨機數都有著(zhù)重要應用。

例如，天氣預報、新藥研制、材料設計、工業(yè)設計和核武器研制等領(lǐng)域，常常需要通過(guò)數值模擬進(jìn)行計算，而數值模擬的關(guān)鍵就是要有大量隨機數的輸入。在游戲設計、人工智能等領(lǐng)域，需要使用隨機數來(lái)控制系統的演化；在通信安全、現代密碼學(xué)等領(lǐng)域，則需要第三方完全不知道的隨機數作為安全性的基礎。

隨機數的獲取通常有兩種途徑：基于軟件算法實(shí)現或基于經(jīng)典熱噪聲實(shí)現。軟件算法實(shí)現的隨機數是利用算法，根據輸入的隨機數種子給出均勻分布的輸出。然而，對于確定的輸入，固定的算法將給出確定的輸出序列，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，這類(lèi)隨機數本質(zhì)上仍是確定性的，并不真正隨機。而基于經(jīng)典熱噪聲的隨機數芯片能讀取當前物理環(huán)境中的噪聲，并據此獲得隨機數，但這類(lèi)裝置最終獲得的也只是某種更難預測的偽隨機數。

量子力學(xué)的發(fā)現讓故事有了新的轉折——因為，其基本物理過(guò)程具有經(jīng)典物理中所不具有的內稟隨機性，從而可以制造出真正的隨機數產(chǎn)生器。

所謂內稟隨機性，饒志宏解釋?zhuān)我饬孔討B(tài)都具有內稟隨機性，糾纏作為一種特殊的量子態(tài)，也不例外。在測量下，它會(huì )概率性輸出其測量的本征值，這個(gè)測量結果具有理論上的不可預測性，即內稟隨機性。而量子隨機數發(fā)生器，是基于量子力學(xué)原理設計的一種新型隨機數發(fā)生器，其工作原理是，通過(guò)觀(guān)測量子隨機噪聲以產(chǎn)生不可預測的隨機序列。

“隨機數系統中的關(guān)鍵器件，比如光源、探測器等，可能來(lái)自于國外不可控廠(chǎng)商，因此存在安全隱患?！痹陴堉竞昕磥?lái)，基于量子糾纏內稟隨機性的量子隨機數產(chǎn)生機制是有科學(xué)意義的，此類(lèi)方案可以排除由非可信器件所引入的安全漏洞，具有理論意義上最高等級的安全性，同時(shí)也是國際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。

量子力學(xué)內稟隨機性

利用貝爾實(shí)驗進(jìn)行檢驗，能從根本上排除定域確定性理論，從而實(shí)現不依賴(lài)于器件的量子隨機數，即器件無(wú)關(guān)量子隨機數

關(guān)于量子力學(xué)的內稟隨機性，科學(xué)界曾有過(guò)爭議。愛(ài)因斯坦、薛定諤和溫伯格等著(zhù)名物理學(xué)家即是反對者。愛(ài)因斯坦堅信“上帝是不會(huì )擲骰子的”，他認為一定存在著(zhù)一個(gè)更高的確定性理論，量子力學(xué)只是該理論的近似，而量子力學(xué)的內稟隨機性則只是因為我們不了解這種理論而帶來(lái)的誤解。

圍繞這一論斷，支持者與反對派進(jìn)行了長(cháng)達30年的爭論。但在當時(shí)，兩種觀(guān)念都沒(méi)能給出在實(shí)驗上可以加以嚴格區分的精確預言，所有爭論都局限于哲學(xué)層面。直到1964年，美國物理學(xué)家貝爾發(fā)現，通過(guò)對量子糾纏進(jìn)行關(guān)聯(lián)測量，量子力學(xué)和定域確定性理論會(huì )對測量結果有著(zhù)不同的預言。

在前人研究的基礎上，長(cháng)期從事量子力學(xué)基礎檢驗的潘建偉團隊，分別利用觀(guān)察者自主選擇和遙遠星體發(fā)光產(chǎn)生的隨機數，于今年分別實(shí)驗實(shí)現了超高損耗下和大量觀(guān)察者參與的貝爾實(shí)驗檢驗，文章先后發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》和《自然》上。

重要而有趣的是，貝爾實(shí)驗的檢驗可以從根本上排除定域確定性理論，從而實(shí)現不依賴(lài)于器件的量子隨機數，即器件無(wú)關(guān)量子隨機數。這類(lèi)隨機數發(fā)生器被認為是安全性最高的隨機數產(chǎn)生裝置，即使采用惡意第三方制造的組件，或者竊聽(tīng)者擁有計算能力最強的量子計算機，也無(wú)法預測或獲知它所產(chǎn)生的隨機數。

“在現有的量子通信系統中，如果采用自己制備的或者可信制造商制備的量子隨機數產(chǎn)生器，其安全性是可以得到保障的。但是，如果不小心采用了惡意第三方所制造的器件，就會(huì )發(fā)生隨機數泄露?！迸私▊フf(shuō)，新的成果則確保即使在采用了不信任第三方器件的情況下，也可以產(chǎn)生真隨機數，并且不會(huì )泄露，從而確保通信的安全。

走向應用尚需時(shí)日

要實(shí)現器件無(wú)關(guān)的量子隨機數，需要滿(mǎn)足極其苛刻的實(shí)驗要求，實(shí)現技術(shù)難度高。因此，目前僅適合進(jìn)行基礎前沿研究

一切看上去是那么美，實(shí)現起來(lái)卻困難重重。比如，整套隨機數產(chǎn)生裝置需要以極高效率進(jìn)行糾纏光子的產(chǎn)生、傳輸、調制、探測；同時(shí)，不同組件間需要設置合適的空間距離以滿(mǎn)足類(lèi)空間隔要求，才能以最高的安全性保證任何竊聽(tīng)者不能通過(guò)內部通信來(lái)偽造貝爾不等式測試的結果。

“要實(shí)現器件無(wú)關(guān)的量子隨機數，需要滿(mǎn)足極其苛刻的實(shí)驗要求，正因為實(shí)現技術(shù)難度高，一旦成功才更具有科學(xué)意義?！别堉竞攴Q(chēng)。

為搶占量子保密通信領(lǐng)域的制高點(diǎn)，目前，國際上紛紛開(kāi)展了這種隨機數產(chǎn)生器的研制工作。美國國家標準與技術(shù)研究院正計劃利用器件無(wú)關(guān)的量子隨機數產(chǎn)生器建立新一代隨機數國際標準。最終，潘建偉等人經(jīng)過(guò)3年多的努力，在世界上首次研發(fā)出器件無(wú)關(guān)的量子隨機數產(chǎn)生器。

不過(guò)，安全性與實(shí)用性有時(shí)是個(gè)矛盾體。饒志宏說(shuō)，由于此類(lèi)方案實(shí)現技術(shù)難度高，對實(shí)現環(huán)境要求極高（例如，超導探測器需要極低的工作溫度），且存在隨機數產(chǎn)生速率低且成本高等不足，目前僅適合進(jìn)行基礎前沿研究，在現有技術(shù)條件下不適合作為實(shí)用性方案加以應用。

此外，器件無(wú)關(guān)并不是實(shí)用化隨機數的必要條件。饒志宏認為，如果我們能保證所謂“器件相關(guān)”量子隨機數產(chǎn)生方案是基于國產(chǎn)自主可信器件設計實(shí)現的，此類(lèi)方案產(chǎn)生的隨機數同樣具有高安全性。

他介紹，去年中國電子科技集團公司發(fā)布的隨機數發(fā)生器所采用的方案就是基于自主可信器件設計的“器件相關(guān)”的量子隨機數產(chǎn)生方案，它的實(shí)現成本低且隨機數產(chǎn)生速率極高（隨機數產(chǎn)生速率達到5.4Gbps），目前處于國際領(lǐng)先水平，是實(shí)用化解決方案的一個(gè)良好選擇。而潘建偉團隊的“器件無(wú)關(guān)”方案科學(xué)意義較大，體現了我國在尖端實(shí)驗技術(shù)上的進(jìn)展。

潘建偉表示，該研究成果及后續研究工作將為密碼學(xué)、數值模擬以及需要隨機性輸入的各個(gè)領(lǐng)域提供真正可靠的隨機性來(lái)源；同時(shí)，由于可信任的隨機數源是現實(shí)條件下量子通信安全性的關(guān)鍵環(huán)節，器件無(wú)關(guān)隨機數的實(shí)驗實(shí)現也進(jìn)一步確保了現實(shí)條件下量子通信的安全性。

未來(lái)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊將研發(fā)高速穩定的器件無(wú)關(guān)量子隨機數產(chǎn)生裝置，通過(guò)提供基于量子糾纏內稟隨機性的、高安全性的隨機數，爭取形成新一代國際隨機數標準。

摘自《經(jīng)濟日報》