前沿进展 | 新型半设备无关量子随机数，突破安全性与实用性瓶颈

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，中国科学技术大学郭光灿院士领导的中国科学院量子信息重点实验室在量子随机数发生器研究方面取得新进展。该实验室的韩正甫教授及其合作者王双、银振强、陈巍等实现了一种新型的半设备无关量子随机数发生器协议。
该团队首次实现在光源不可信和探测设备不需要表征的情况下产生安全随机数。该研究同时满足了实际应用中对于高安全和高速率的需求，为量子随机数发生器的广泛应用提供了有效的解决方案。相关研究成果以“Certified Randomness from Untrusted Sources and Uncharacterized Measurements”为题于2022年7月28日发表在Physical Review Letters上。2022 | 前沿进展

02 研究背景

随机数在工程仿真、保密通信、基础科学等领域有着广泛的应用需求，而量子随机数发生器以量子力学内禀随机性为基础，可以产生具有真随机性的量子随机数。但是，搭建量子随机数的实际设备往往具有一定的非理想性，从而导致熵估计出现误差，影响随机数的不可预测性和私密性。尽管完全设备无关量子随机数发生器可以解决这一问题，但是其协议系统极其复杂、随机数生成率低，难以实际应用。

半设备无关协议通过放宽部分假设来实现高速随机数生成，其中最受广泛关注的方向之一是源无关量子随机数发生器，其可以完全解决源端可信度的问题。然而，现有的源无关量子随机数发生器需要对测量端进行精确建模，导致测量端的非理想特性会造成安全性漏洞。

针对测量端的非理想特性，韩正甫团队于2020年指出探测器后脉造成的安全性问题[npj Quantum Information, 6, 100 (2020)]，并提出了容忍后脉冲的源无关协议；2022年构建了可以兼容已有测量端非理想特性的源无关协议[Optics Express, 30, 25474-25485 (2022)]，并且进一步降低了协议对这些非理想因素的敏感性。这些工作显著地扩展了源无关量子随机数发生器的实际应用场景。但是由于测量装置中存在着大量的噪声，使其很难得到完全表征，从而限制了量子随机数发生器在复杂环境中的应用。

03 研究创新点

该团队通过将平滑熵的不确定关系和量子剩余哈希定理相结合，提出了一种新型半设备无关量子随机数发生器（如图1所示），在允许源端不可信的前提下，从根源上解决了测量设备需要表征的问题。

图1 新型半设备无关量子随机数发生器结构示意图

在该协议中，源端被不可信的生产商Eve所操控，测量端则由可信用户Alice所掌握（如图2所示）。在测量装置中，Alice首先通过一个调制模块来执行比特翻转和选基操作，然后通过一个探测模块输出原始随机数。协议中不需要对测量设备进行精确表征，仅仅需要一些基础假设来限制操作类型。研究人员证明了，在源端不可信和探测端无表征条件下，通过一定的熵评估和随机性提取操作，该协议可以产生信息论安全的随机数。

图2 协议结构示意图

同时，该团队进行了协议的实验实现（如图3所示）。在实验方案中，由于允许源端不可信，他们选择了日常光源（即卤素灯）和激光器作为光源，以验证对不同光源分布的普适性和鲁棒性。而在测量端，该团队使用了更适用于光纤系统的相位编码技术，来实现调制操作和选基操作。

图3 新型半设备无关量子随机数发生器实验系统

两个相位调制器分别用来进行比特翻转和选基操作，两个单光子探测器被用来探测光信号并输出随机信号。由于允许源端不可信和探测端无表征，该实验系统不需要对设备参数进行测定，仅通过分析输出结果，就能得到当前实验设备可提取出的安全随机数数量。

在该验证实验中，最终产生的随机数比特速率与现有的商业随机数生成器相当（如图4所示），而安全性明显高于后者。因而，实验结果表明，在允许源端不可信和探测端无表征的前提下，该协议可以实现快速的随机数生成。

图4 实验与仿真结果

04 总结与展望

量子随机数发生器在量子通信、量子隐形传态等诸多任务中发挥着重要作用。然而，量子随机数发生器虽然提供了一种原理上产生真随机数的方式，但要从实验室走向广泛应用，还需要解决现实条件下非理想设备可能造成的安全问题。

该研究成果大幅地降低了对设备可信度和刻画表征的要求，即使在源端不可信和探测端无法表征的情况下也能产生安全随机数，实现了量子随机数在现实应用中的重要突破。此外，该协议还确保了随机数快速生成和系统简洁实用，同时做到了高安全性和高速率，在信息安全、工程技术等领域具有重要的应用价值。

该工作的第一作者为中科院量子信息重点实验室2022届博士毕业生林幸和2021届博士毕业生、香港大学博士后王荣，通讯作者为王双教授和银振强教授。这项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、安徽省和香港大学启动资金的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.050506

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编辑 | 方紫璇

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