潘建伟团队再登Nature:全球首次实现器件无关量子随机数,量子保密通信安全再升级...

640?wx_fmt=jpeg

岳排槐 编辑
量子位 出品 | 公众号 QbitAI

据消息,潘建伟团队日前成功实现了器件无关的量子随机数,将在数值模拟、密码学等领域广泛应用,并有望形成新的随机数国际标准。


相关研究成果于北京时间20日由国际权威学术期刊《自然》在线发表(http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0559-3)。


640?wx_fmt=png


中科大教授潘建伟及其同事张强、范靖云、马雄峰等与中科院上海微系统与信息技术研究所、日本NTT基础科学实验室合作,利用量子纠缠的内禀随机性,在国际上首次实现器件无关的量子随机数。这是目前安全性最高的随机数产生装置。


随机数在科学研究和日常生活中都有着重要应用。


例如,天气预报、新药研制、材料设计、工业设计和核武器研制等领域,常常需要通过数值模拟进行计算,关键就是要有大量随机数输入;游戏、人工智能等领域,需要使用随机数来控制系统演化;在通信安全、现代密码学等领域,则需要第三方完全不知道的随机数作为安全性的基础。


根据量子力学,科学家可以制造出真正的随机数产生器,即使采用恶意第三方制造的组件,或者使用计算能力超强的量子计算机,也无法预测或获知它所产生的随机数。目前国际上纷纷开展这种随机数产生器的研制工作。


潘建伟介绍,其团队的这一成果是在此前技术基础上,优化了纠缠光子收集、传输、调制等效率,并采用上海微系统所开发的高效率超导单光子探测器件,实现了高性能纠缠光源的高效制备;通过设计快速调制并进行合适的空间分隔设计,满足了器件无关的量子随机数产生装置所需的类空间隔要求。


“无论经典密码学还是量子保密通信,都需要真正的随机数作为保障。”潘建伟说,在现有的量子保密通信系统中,如果采用自己制备的或者可信制造商制备的量子随机数产生器,其安全性可以得到保障。但如果不小心采用了恶意第三方制造的器件,可能会发生随机数泄漏。


新的成果确保即使是使用不信任第三方的器件,也可以产生真随机数并且不会泄漏,从而确保通信安全。


以往通常有两类获取随机数的途径:基于软件算法实现或基于经典热噪声实现。


软件算法实现的随机数是利用算法根据输入的随机数种子给出均匀分布的输出。然而,对于确定的输入,固定的算法将给出确定的输出序列,从这个角度上来说,这类随机数本质上是确定性的,并不真正随机。


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,并据此获得随机数。这类装置相对于基于软件算法的实现,由于环境中的变量更多,因此更难预测。然而在牛顿力学的框架下,即使影响随机数产生的变量非常多,但在每个变量的初始状态确定后,整个系统的运行状态及输出在原理上是可以预测的,因此这一类装置也是基于确定性的过程,只是某种更难预测的伪随机数(pseudo random number)。


量子力学的发现从根本上改变了这一局面,因为其基本物理过程具有经典物理中所不具有的内禀随机性,从而可以制造出真正的随机数(true random number)产生器。


量子力学这种内禀的概率特性,从量子力学理论发展的初期就一直深深困扰着爱因斯坦、薛定谔和温伯格等重要物理学家。


640?wx_fmt=jpeg

△ 基于量子纠缠的量子随机数产生示意图

爱因斯坦坚信“上帝是不会掷骰子的” (God does not play dice),他认为一定存在着一个更高的确定性理论,量子力学只是该理论的近似,而量子力学的内禀随机性则只是因为我们不了解这种理论而带来的误解。


爱因斯坦和薛定谔等人提出了量子纠缠的概念,试图用量子纠缠这种奇怪的量子状态来论证量子力学基础的不完备和量子随机性的荒谬。而以玻尔为首的哥本哈根学派则捍卫量子随机性,认为量子力学的基础是完备的。


两个学派进行了长达30年的争论,但在当时,两种观念没能给出在实验上可以加以严格区分的精确预言,所有的争论都局限于哲学层面。


直到1964年,美国物理学家贝尔发现通过对量子纠缠进行关联测量,量子力学和定域确定性理论会对测量结果有着不同的预言。利用这个特性即可开展贝尔实验检验,从而判定量子力学的基础是否完备和量子随机性是否存在。


贝尔的理论提出之后的几十年中,世界各国的众多科研小组进行了大量的实验,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,尚有两个漏洞需要关闭,即自由选择漏洞(freedom-of-choice loophole)和塌缩的定域性漏洞(collapse locality loophole)。


潘建伟小组长期从事量子力学基础检验,针对这两个漏洞,他们分别利用观察者自主选择和遥远星体发光产生的随机数,于今年分别实验实现了超高损耗下和有观察者参与的贝尔实验检验,文章先后发表在《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 120,140405 (2018)]、[Phys. Rev. Lett. 21,080404 (2018)]和《自然》杂志[Nature 557, 212 (2018)]杂志上,为最终实现无漏洞贝尔实验检验奠定坚实的科学和技术基础。


640?wx_fmt=jpeg


重要而有趣的是,由于贝尔实验与量子内禀随机性存在着深刻的内在联系,贝尔实验的检验可以从根本上排除定域确定性理论,从而实现不依赖于器件的量子随机数,即器件无关量子随机数。


这类随机数发生器被认为是安全性最高的随机数产生装置,即使采用恶意第三方制造的组件,或者窃听者拥有计算能力最强的量子计算机,也无法预测或获知它所产生的随机数。


因此目前国际上纷纷开展这种随机数产生器的研制工作,美国国家标准局(NIST)正计划利用器件无关的量子随机数产生器建立新一代的随机数国家标准。


实现器件无关的量子随机数产生器在实验上具有极高的技术挑战:整套随机数产生装置需要以极高的效率进行纠缠光子的产生、传输、调制、探测;同时,不同组件间需要设置合适的空间距离以满足类空间隔要求,才能以最高的安全性保证任何窃听者不能通过内部通信伪造贝尔不等式测试的结果。


潘建伟、张强研究组在此前系列贝尔实验中发展的技术基础上,经过三年多的努力发展了高性能纠缠光源,首先优化了纠缠光子收集、传输、调制等效率,并采用中科院上海微系统所开发的高效率超导单光子探测器件,实现了高性能纠缠光源的高效探测([Phys. Rev. Lett. 120,010503 (2018)])。


然后通过设计快速调制并进行合适的空间分隔设计,满足了器件无关的量子随机数产生装置所需的类空间隔要求。最终,在世界上首次实现了器件无关的量子随机数产生器。


640?wx_fmt=jpeg

△ 器件无关量子随机数实验装置

该工作及后续工作将为密码学和数值模拟以及需要随机性输入的各个领域提供真正可靠的随机性来源,同时由于可信任的随机数源是现实条件下量子通信安全性的关键环节,器件无关随机数的实验实现也进一步确保了现实条件下量子通信的安全性。


未来,中国科大团队将建设高速稳定的器件无关量子随机数产生装置,通过提供基于量子纠缠内禀随机性的、高安全性的随机数,争取形成新一代的国家随机数标准。


该研究工作得到了中科院、科技部、国家自然科学基金委、教育部和安徽省的支持。


未来智能实验室是人工智能学家与科学院相关机构联合成立的人工智能,互联网和脑科学交叉研究机构。


未来智能实验室的主要工作包括:建立AI智能系统智商评测体系,开展世界人工智能智商评测;开展互联网(城市)云脑研究计划,构建互联网(城市)云脑技术和企业图谱,为提升企业,行业与城市的智能水平服务。

  如果您对实验室的研究感兴趣,欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”

640?wx_fmt=jpeg

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/494224.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

一篇文章搞懂数据仓库:数据治理(目的、方法、流程)

目录 1、什么是数据治理 2、数据治理的目的 3、数据治理的方法 4、数据质量8个衡量标准 5、数据治理流程 1、什么是数据治理 数据治理(Data Governance)是组织中涉及数据使用的一整套管理行为。由企业数据治理部门发起并推行,关于如何制…

在OEL5上安装配置Oracle Gird Control 10.2.0.5

早期的Grid Control问题实在太多了,以至于把10.2.0.1的Grid Control升级到10.2.0.5几乎是不可能完成的任务;此外10.2.0.5以前的gc不支持11g作为repository database仓库数据库,不仅于此10.2.0.1版本是不支持rhel5或OEL5的,如果想安…

Struts2基础知识(三)

本文主要包括以下内容 OGNL表达式标签 防止表单重复提交 使用第三方插件tomcat启动时struts2容器做的事 OGNL表达式 OGNL是Object Graphic Navigation Language(对象图导航语言)的缩写,它是一个开源项目。Struts2框架使用OGNL作为默认的表达式语言。 相对EL表达…

70行Python代码,获取中国数据库大会(DTCC)全部PPT

大家好,我是明月十四桥! 擅长领域:python黑科技、大数据后端研发、数据仓库 今日重点: ① 学会使用python 获取各种网站的ppt,可见即可爬; ② 中国数据库大会一年一届,门票昂贵,干货…

半导体产业格局:行稳而致远,强者将恒强

来源:华泰证券▌中国半导体产业链渐趋完善,产业生态体系逐步成形目前我国垂直分工模式的芯片产业链初步搭建成形,产业上中下游已然打通,涌现出一批实力较强的代表性本土企业。集成电路是基础性、先导性产业,涉及国家信…

Struts2之Crud综合实例

本文是Struts2的综合实例,主要包含以下功能 添加,删除,修改,查询用户上传,下载图片 拦截器实现登陆功能 验证器检查输入 下载图片功能以前没有实现过,步骤如下 在类中增加两个属性 //文件下载private…

教你用python爬英雄联盟官网:①掌握爬虫技术;②Python数据可视化

大家好,我是明月十四桥!! 擅长领域:python黑科技、大数据后端研发、数据仓库 今日重点: ① 掌握爬虫技术,体会python爬虫流程,可见即可爬; ② 学会使用python数据可视化。 有问题的…

7套干货,Python常用技术学习知识图谱!!(史上最全,建议收藏)

大家好,我是明月十四桥! 你要偷偷努力,然后惊艳所有人~ 给大家推荐 7 个宝藏级教程,视频课是永久有效的,可以随时学习,有几门课程还有CSDN官方学习答疑群,课程右边扫码入群,讲师在群…

权威发布 |《科学美国人》:2018全球十大新兴技术

来源:世界经济论坛摘要:尽管这些技术仍处于发展早期,但它们吸引了众多研究团队的关注,并且广受投资者青睐。在未来3~5年间,它们可能会对社会与经济产生重要影响。9月19日,《科学美国人》与世界经济论坛&…

23篇大数据系列(一)java基础知识全集(2万字干货,建议收藏)

大数据系列爽文,从技术能力、业务基础、分析思维三大板块来呈现,你将收获: ❖ 提升自信心,自如应对面试,顺利拿到实习岗位或offer; ❖ 掌握大数据的基础知识,与其他同事沟通无障碍; …

Hibernate基础知识

本文主要包括以下内容 对象的状态 一对多的单向关联一对多的双向关联多对多关联 一对一关联 对象状态的变化 对象的状态 临时状态 new 持久化状态 get,save,update脱管状态 clear close evict 一对多单向操作,以班级表与学生表为例 Classes.java package …

从概念到应用,腾讯视角深入“解剖”AI平台和语音技术

来源:AI科技大本营摘要:9 月 15 日,以“破局人工智能:AI平台及智能语音应用解析”为题的沙龙在上海举办,本次活动由 CSDN、腾讯云联合主办。近年来,人工智能技术快速发展,与其他行业的结合也成为…

23篇大数据系列(二)scala基础知识全集(史上最全,建议收藏)

作者简介: 蓝桥签约作者、大数据&Python领域优质创作者。管理多个大数据技术群,帮助大学生就业和初级程序员解决工作难题。 我的使命与愿景:持续稳定输出,赋能中国技术社区蓬勃发展! 大数据系列文章,…

为什么 AI 芯片时代必然到来——从TPU开始的几十倍性能之旅

作者:刘肉酱摩尔定律的终结将使服务于特定领域的架构成为计算的未来。一个开创性的例子就是谷歌在 2015 年推出的张量处理单元(TPU),目前已经在为超过十亿人提供服务。TPU 使深度神经网络(DNN)的计算速度提…

java学习笔记之数组

数组是一种效率最高的存储和随机访问对象引用序列的方式,一旦初始化完成,数组长度将不能变,但可以改变其引用,如: int a[]{1,2}; int b[]{1,2,3,4,5}; ab; 如果输出,将得到: b.length5;a.length5; java数组…

《爬虫写得好,铁窗关到老》教你把握爬虫的法律边界!㊫

作者简介 蓝桥签约作者、大数据&Python领域优质创作者。维护多个大数据技术群,帮助大学生就业和初级程序员解决工作难题。 我的使命与愿景:持续稳定输出,赋能中国技术社区蓬勃发展! 最近的IT公司违法案件越来越多,…

23篇大数据系列(三)sql基础知识(史上最全,建议收藏)

作者简介 蓝桥签约作者、大数据&Python领域优质创作者。维护多个大数据技术群,帮助大学生就业和初级程序员解决工作难题。 我的使命与愿景:持续稳定输出,赋能中国技术社区蓬勃发展! 大数据系列文章,从技术能力、…

脑机交互研究及标准化实践

来源: 人机与认知实验室摘要:本文介绍脑机交互的概念及标准化的必要性,讨论近年来脑机交互的发展状况,重点阐述国内外植入式脑机接口的研究历程,并从脑机交互系统角度提出了脑机交互标准化的思考,同时介绍在…

C#反射的特性

如果您现在对反射还不太了解的话,那么可以先看看这篇博文,来粗略的了解一下反射吧。什么是反射 反射特性(Attribute)  1. C#内置特性介绍  特性是一个对象,它可以加载到程序集及程序集的对象中,这些对象…

拥抱人工智能报告:中国未来就业的挑战与应对

来源: 199IT互联网数据中心近日,中国发展研究基金会联合红杉资本中国基金,对外发布了一份名为《投资人力资本,拥抱人工智能:中国未来就业的挑战与应对》的研究报告。在这篇报告中,研究课题组对比中外、调研…