中國量子密碼通信安全研究再次擁有重大突破。

2023-03-31 16:28:36

不久前，中國科技大學教授潘建偉宣布，獨立於器件的量子隨機數首次成功實現。利用量子糾纏的本質隨機性，這一突破將廣泛應用於數值模擬、密碼學等領域，有望形成新的隨機數國際標準。  

不管是經典密碼學還是量子保密通信，都需要實隨機數作為保護，在現有的量子保密通信系統中，如果惡意第三方製造的量子隨機數裝置使用不當，可能會發生隨機數的洩漏。根據中國電子技術集團首席專家饒志宏、中國網絡信息安全有限公司首席工程師的說法，設備無關是指即使隨機數產生系統的部分或全部組件來自來自不信任的手工的惡意設備。演員，它也可以產生真實的隨機數，不會洩露。也就是說，系統的安全性與設備的具體情況無關。  

在許多領域中，常常需要通過數值模擬進行計算，而數值模擬的關鍵是輸入大量的隨機數。  

例如，在天氣預報、新藥開發、材料設計、工業設計和核武器開發等領域，經常需要數值模擬，而數值模擬的關鍵是輸入大量的隨機數。智能等，我們需要使用隨機數來控制系統的演化。在通信安全和現代密碼學領域，需要第三方完全未知的隨機數作為安全的基礎。  

通常有兩種方法獲得隨機數：基於軟體的算法或基於經典熱噪聲。隨機數由軟體算法實現是使用算法根據輸入的隨機數種子給均勻分布的輸出。然而，對于震懾微型輸入，一個固定的算法將給出一個確定性的輸出序列。從這一點來看，這樣的隨機數的性質，不是隨機的仍然是決定性的。基於經典熱噪聲的隨機數晶片可以讀取當前物理環境噪聲並得到相應的隨機數，但最終只獲得一些米裝置礦石難以預測偽隨機數。 

量子力學的發現給了故事的一個新的轉折點，因為它的基本物理過程具有內在的隨機性，不在經典物理學中發現的，所以，真正的隨機數發生器可以產生。  

饒志宏解釋說，所謂本徵隨機性，任何量子態都具有本徵隨機性，糾纏作為一種特殊的量子態，也不例外。在測量過程中，它將以概率的方式輸出其測量的本徵值，這在理論上是不可預測的，即本徵值。量子隨機數發生器是一種基於量子力學原理的新型隨機數發生器。它的工作原理是通過觀察量子隨機噪聲來產生不可預測的隨機序列。  

隨機數系統中的關鍵器件，如光源和探測器，可能來自國外無法控制的製造商，因此存在潛在的安全隱患。具有科學意義。這些方案可以消除不可信設備引入的安全漏洞，在理論上具有最高的安全級別，也是國際學術界研究的熱點。  

通過Bell實驗，從根本上消除了局域確定性理論，實現了與器件無關的量子隨機數，即與器件無關的量子隨機數。  

科學界對量子力學固有的隨機性一直存在爭論。著名的物理學家如愛因斯坦、薛丁格和溫伯格都是反對者。愛因斯坦堅信上帝不會擲骰子。他認為必須有更高的確定性理論。量子力學只是這個理論的一種近似，而量子力學固有的隨機性只是由於我們對這個理論的忽視而引起的誤解。  

圍繞著這個結論，支持者和反對派爭論了30年。然而，當時這兩個概念都沒有給出在實驗上可以嚴格區分的精確預測，所有的論點都局限於哲學層面。直到1964年，貝爾，A.美國物理學家，發現量子糾纏測量是相互關聯的，量子力學和局部確定性理論預測了不同的測量。  

潘建偉的團隊在以往研究的基礎上，長期從事量子力學基礎實驗，利用觀察者自選產生的隨機數，對貝爾實驗進行了超高損耗實驗，並於今年吸引了大批觀察者。離子和遙遠恆星的發光。該論文先後發表在《物理學》雜誌上。  

重要的是，有趣的是，Bell實驗能夠從根本上消除局部確定性理論，從而實現與器件無關的量子隨機數，即與器件無關的量子隨機數，這種隨機數發生器被認為是最安全的隨機數發生器。NDOM號碼生成器。即使它使用惡意第三方製造的組件，或者竊聽者擁有最強大的量子計算機，它也不能預測或知道它產生的隨機數。  

在現有的量子通信系統中，如果量子隨機數發生器是自己製造的，或者由可信任的製造商製造，則可以保證其安全性。新的結果保證了即使第三方設備不可信，也能夠產生真實的隨機數，並且不會洩露，從而保證了通信的安全性。  

為了實現器件無關的量子隨機數，必須滿足極其苛刻的實驗要求，而且技術難度高，因此，目前只適用於基礎前沿研究。  

所有的東西看起來都很漂亮，但是很難實現。例如，整套隨機數產生裝置需要高效率地產生、傳輸、調製和檢測糾纏光子；同時，不同的組件需要設置適當的空間距離給我。設置類空分隔的要求，以保證任何竊聽者都不能通過內部通信偽造Bell不等式的最高安全性。  

為了實現與設備無關的量子隨機數，我們需要滿足極其苛刻的實驗要求。饒志紅說，由於技術難度高，一旦成功，就會更加科學。  

為了搶佔量子保密通信領域的制高點，國際上已經開展了這種隨機數發生器的研製，美國國家標準與技術研究所計劃使用與器件無關的量子隨機數發生器來建立。潘建偉等人經過三年多的努力，終於在世界上首次研製出器件無關的量子隨機數發生器。  

然而，安全性和實用性有時是矛盾的。饒志宏說，因為這種方案很難實施，而且要求非常高的環境（例如，超導探測器需要非常低的工作溫度），並且由於低隨機數gen的缺點。運行速度快，成本高，目前只適用於基礎前沿研究，不適合現有技術條件下的實際方案。  

此外，器件獨立性不是隨機數應用的必要條件，饒志宏認為，如果能夠確保所謂的器件相關量子隨機數產生方案是基於國內獨立可信器件的設計和實現的，這種方案所產生的隨機數也具有很高的安全性。  

他介紹，由中國電子科技集團去年公布的隨機數發生器的方案是設備相關的量子隨機數生成方案的基礎上自主信任的設備。它具有低成本和高隨機數產生率（隨機數產生率達到5.4Gbps）。它是目前在世界上處於領先地位。平是一個切實可行的解決方案很好的選擇。潘建偉團隊的獨立設備的方案具有重要的科學意義，它反映了中國的先進的實驗技術的進步。  

潘建偉說，研究結果和後續工作將為密碼學、數值模擬和需要隨機輸入的各個領域提供真正可靠的隨機性來源。同時，由於可信隨機數源是真實條件下量子通信安全的關鍵環節，因此實現了與器件無關的隨機數實驗，進一步保證了真實條件下量子通信的安全性。  

將來，中國科技大學研究小組將開發一種高速穩定的獨立於器件的量子隨機數發生器，並通過提供基於本徵隨機數的隨機數來努力形成新一代的國際隨機數標準。SS和量子糾纏的高安全性。