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山西大學(xué)在單方設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)方面取得重要進展 山西大學(xué)光電研究所、量子光學(xué)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(xué)現(xiàn)代光學(xué)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(dǎo)引，實現(xiàn)了單方設(shè)備無關(guān)的隨機性驗證和量子隨機數(shù)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(shù)的一個典型代表，基于量子過程產(chǎn)生的隨機數(shù)因在量子力學(xué)的框架下測量結(jié)果存在著天然的隨機性而備受關(guān)注。然而，量子隨機數(shù)的可靠性高度依賴于系統(tǒng)設(shè)備的精確表征；設(shè)備的任何偏差可能導(dǎo)致竊聽者利用設(shè)備缺陷危及隨機數(shù)的安全性。針對這一問題，相繼發(fā)展了器件無關(guān)和半器件無關(guān)的量子隨機數(shù)產(chǎn)生，以保障隨機數(shù)的安全。量子導(dǎo)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(dǎo)引方的系統(tǒng)及測量進行刻畫，能夠在單方設(shè)備無關(guān)的場景下驗證用戶間共享糾纏態(tài)，從而降低對用戶設(shè)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(dǎo)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(dǎo)引，可以保證由遠端用戶測量結(jié)果提取的隨機數(shù)不再依賴其設(shè)備，實現(xiàn)單方設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)產(chǎn)生。  單方設(shè)備無關(guān)隨機性驗證和量子隨機數(shù)產(chǎn)生 研究團隊成功跨越2公里光纖鏈路，實現(xiàn)了連續(xù)變量量子導(dǎo)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(jié)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(shù)。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(jīng)過光纖信道傳輸給遠端的不可信用戶Bob。單方設(shè)備無關(guān)隨機數(shù)的產(chǎn)生具體包含三個步驟。（1）量子導(dǎo)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(dǎo)引Alice的量子態(tài)，并量化其所具備的量子導(dǎo)引能力[圖b]。（2）隨機性驗證。由于Alice位于本地，其設(shè)備及測量可信，根據(jù)Bob所執(zhí)行的多種測量及得到的結(jié)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(lián)合概率分布，Alice進一步度量Bob測量結(jié)果中量子隨機性的大小[圖c]。（3）Bob端隨機數(shù)提取。一旦Alice確認Bob端的測量結(jié)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(jié)果進行粗�；幚�，進而高效提取隨機數(shù)。 該工作基于量子導(dǎo)引這一特殊量子關(guān)聯(lián)，在無需預(yù)設(shè)導(dǎo)引端設(shè)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(shù)擺脫了對遠端用戶設(shè)備及器件的依賴性，為實現(xiàn)半器件無關(guān)的量子隨機數(shù)制備提供了一種可行途徑。研究成果展現(xiàn)了量子導(dǎo)引在單方設(shè)備無關(guān)量子隨機數(shù)產(chǎn)生方面的重要應(yīng)用，在量子安全通信和量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的具有潛在應(yīng)用前景。 論文第一作者為山西大學(xué)博士生張錦芳和北京大學(xué)博士生李逸，通訊作者為山西大學(xué)蘇曉龍教授和北京大學(xué)項玉博士（現(xiàn)為西安交通大學(xué)教授）。該工作得到國家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030重大項目、北京市自然科學(xué)基金、量子光學(xué)與光量子器件國家重點實驗室、省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和山西省基礎(chǔ)研究計劃項目的支持。 論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01641-9 |
