山西大學在單方設備無關量子隨機數方面取得重要進展

山西大學光電研究所、量子光學與光量子器件國家重點實驗室的蘇曉龍教授研究組和北京大學現代光學研究所何瓊毅教授研究組合作，基于2公里光纖信道分發(fā)的連續(xù)變量量子導引，實現了單方設備無關的隨機性驗證和量子隨機數高效提取。該成果發(fā)表以“One-sided device-independent random number generation through fiber channels”為題于2025年1月3日發(fā)表于Light: Science & Applications。

作為真隨機數的一個典型代表，基于量子過程產生的隨機數因在量子力學的框架下測量結果存在著天然的隨機性而備受關注。然而，量子隨機數的可靠性高度依賴于系統(tǒng)設備的精確表征；設備的任何偏差可能導致竊聽者利用設備缺陷危及隨機數的安全性。針對這一問題，相繼發(fā)展了器件無關和半器件無關的量子隨機數產生，以保障隨機數的安全。量子導引是一種具有方向性與非對稱性的特殊糾纏形式，由于不需要對導引方的系統(tǒng)及測量進行刻畫，能夠在單方設備無關的場景下驗證用戶間共享糾纏態(tài)，從而降低對用戶設備的依賴。在實際場景中，并非所有用戶都有能力制備所需的量子資源，特別是在遠端且不可信的用戶。因此，將遠端用戶作為導引方，建立由遠端量子態(tài)到本地可信用戶持有量子態(tài)的量子導引，可以保證由遠端用戶測量結果提取的隨機數不再依賴其設備，實現單方設備無關量子隨機數產生。

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單方設備無關隨機性驗證和量子隨機數產生

研究團隊成功跨越2公里光纖鏈路，實現了連續(xù)變量量子導引的高效分發(fā)；隨后利用本地可信節(jié)點持有的量子態(tài)，驗證了遠端節(jié)點不可信用戶的測量結果具有量子隨機性；進一步以高達7.06 Mbits/s的速率提取了隨機數。實驗原理如圖a所示。實驗采用Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）糾纏態(tài)光場為量子資源，其中一個模式保留在本地可信用戶Alice處，另一個模式經過光纖信道傳輸給遠端的不可信用戶Bob。單方設備無關隨機數的產生具體包含三個步驟。（1）量子導引驗證。由Alice和Bob分別通過平衡零拍探測系統(tǒng)測量EPR糾纏態(tài)光場的協(xié)方差矩陣，驗證Bob端的量子態(tài)可以導引Alice的量子態(tài)，并量化其所具備的量子導引能力[圖b]。（2）隨機性驗證。由于Alice位于本地，其設備及測量可信，根據Bob所執(zhí)行的多種測量及得到的結果，她可以得到不同的條件態(tài)。通過刻畫這些條件態(tài)或計算聯合概率分布，Alice進一步度量Bob測量結果中量子隨機性的大小[圖c]。（3）Bob端隨機數提取。一旦Alice確認Bob端的測量結果蘊含非零的量子隨機性時，Bob則再次執(zhí)行平衡零拍探測，并對測量結果進行粗粒化處理，進而高效提取隨機數。

該工作基于量子導引這一特殊量子關聯，在無需預設導引端設備安全性的條件下驗證了隨機性，從而確保了生成的隨機數擺脫了對遠端用戶設備及器件的依賴性，為實現半器件無關的量子隨機數制備提供了一種可行途徑。研究成果展現了量子導引在單方設備無關量子隨機數產生方面的重要應用，在量子安全通信和量子網絡領域的具有潛在應用前景。

論文第一作者為山西大學博士生張錦芳和北京大學博士生李逸，通訊作者為山西大學蘇曉龍教授和北京大學項玉博士（現為西安交通大學教授）。該工作得到國家自然科學基金、科技創(chuàng)新2030重大項目、北京市自然科學基金、量子光學與光量子器件國家重點實驗室、省部共建極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心和山西省基礎研究計劃項目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01641-9