作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 利用聚焦到小晶体中的强激光脉冲，产生纠缠光子对
这些纠缠光子然后被送到远程站，在那里对它们的测量导致随机位的产生
信用:克里斯特·沙姆
贝尔实验测试发展的最新进展已经实现了一种新型的独立于设备的随机数发生器
值得注意的是，这种新型的随机数发生器可以用恶意的量子设备来实现，而不需要使用量子设备的详细模型
科罗拉多大学/NIST博尔德分校(加州大学/NIST博尔德分校)和日本NTT公司的研究人员最近开发了一种可以在各种量子系统上实现的随机数生成协议
发表在《自然物理学》上的一篇论文中提出的这个协议，可以为开发更安全、更有效的随机数发生器铺平道路
开展这项研究的研究人员之一林登·克里斯特·沙勒姆(Lynden Krister Shalm)告诉Phys，“我们一直有兴趣试图理解如何利用量子纠缠来构建一种全新的随机数生成器，从某种意义上来说，这是大自然允许的最安全的随机来源。”
（同organic）有机
在他们以前的研究中，沙勒姆和他的同事试图利用量子纠缠的非局域特性来产生以独立于设备的方式认证的随机比特
他们系统的安全性主要取决于黑客发送信息的速度不能超过光速这一事实
“我们的系统不同于常规的随机数生成器，后者依赖于物理过程(例如
g
放射性衰变)或数学算法
与沙姆和他的同事设计的系统相比，基于物理过程或数学算法的随机数生成器需要满足许多额外的假设
然而，为了利用纠缠产生高度安全和经过认证的随机比特，Shalm和他的同事设计的系统必须消耗大量的随机性，这极大地损害了他们系统的效率
“当我在2017年初访问NIST大学博尔德分校时，我很兴奋地得知由克里斯特领导的实验小组已经有能力证明设备无关的随机性产生，”参与这项研究的另一名研究人员张延宝告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“由于这样的实验消耗许多随机位，而只产生少量高质量的经认证的随机位，因此需要实现独立于设备的随机性扩展，其中产生的经认证的输出位比消耗的输入位多
" Shalm、张和他们的同事设计了一种方法，利用少量的种子随机性产生更多的基于量子的认证随机比特，这些比特被随机数发生器所消耗
这是他们的系统区别于其他随机数生成器的主要特征之一
“这有点像籽晶如何被用来生长一个更大的结构，”沙勒姆说
“我们能够输出的随机位比输入系统的多24%
" 原则上，沙勒姆和他的同事设计的系统可以以一种允许研究人员无限扩展输入种子随机性的方式运行
为了实现随机性的扩展，加州大学NIST分校博尔德分校和NTT分校的团队不得不将他们的实验系统推到目前的极限，因为他们的技术要求非常苛刻
为了将输入种子的随机性扩展到更多以独立于设备的方式认证的随机位，研究人员必须巧妙利用这些种子位
系统通常通过对纠缠粒子进行特殊测试来实现这一点，这种测试被称为“无漏洞贝尔测试”
' “与其对我们产生的所有纠缠光子进行这种消耗随机性的测试，不如随机‘抽查’一些光子，以确保系统按预期运行，”沙勒姆说
“这类似于食品检查员可能只选择少量但随机的番茄样本进行测试，而不是测试一批进货中的每一个番茄
我们的抽查协议以类似的方式执行，但是我们必须非常小心，以确保要抽查的系统没有被欺骗
" 在沙勒姆提出的“番茄”类比的背景下，如果将番茄堆放在一个装有2k个番茄的盒子里，过去开发的其他抽查协议将要求以小概率随机选择盒子里的每个番茄
另一方面，Shalm，Zhang和他们的同事设计的方案只要求随机选择一个盒子里的一个番茄
“为了检查一盒西红柿，通常的协议消耗2k个有偏随机位，而我们的协议只消耗k个均匀随机位，”张说
“实际上，从NIST随机信标这样的来源很容易获得均匀随机比特，而不是有偏随机比特
因此，我们的抽查协议在实验上更加友好
" Shalm，张和他们的同事最近的研究最终能够实现无限的设备无关的随机性扩展的实验
此外，这项研究有助于当前对量子力学随机性及其一些基本限制的理解
“从更实际的角度来看，我们的实验是原量子网络的一个例子，其中纠缠粒子在严格的条件下交换和操作，以完成任何其他经典(或局部量子)系统都不可能完成的任务，”沙勒姆说
“从基础和实践的角度来看，这些非局域量子网络都很吸引人
" 在未来，由Shalm，张和他们的同事开发的系统可以用于开发紧凑和高度安全的随机数发生器
目前，独立于设备的生成器过于复杂，无法在紧凑型设备或智能手机上实现
为了克服这一限制，研究人员目前正试图将他们的独立于设备的随机数发生器集成到公共随机信标中，以周期性间隔输出随机位
“我们系统的这种使用可以服务于任何需要各种资源的随机样本的应用，”沙勒姆说
“在这种情况下，我们的随机数生成器可以用于选择陪审团成员，帮助随机审核选举系统，甚至帮助以公平和无党派的方式划分国会选区，以打击不公正的选区划分
使用我们的系统，我们也可以让量子力学来绘制我们的选区，而不是政治家
" 沙勒姆、张和他们的同事是第一批实现与设备无关的随机性扩展的人，这是一种经典系统无法实现的强随机性扩展
在未来，他们的工作可以激励其他团队为常规量子随机数生成器创建类似的协议
“我们现在正致力于将我们的随机数发生器转变成一项成熟的服务，”沙勒姆说
“对我来说，令人惊讶的是，我们可以把起源于一些关于量子理论哲学本质的早期辩论的东西，变成一种安全的公共服务
" 沙勒姆、张和他们的同事进行了为期两周的实验
在这两周内，研究人员收集了大约110小时的数据
在接下来的研究中，他们希望提高系统的效率，允许系统在几个小时的实验运行时间内实现独立于设备的随机性扩展
“此外，我们目前的安全分析是在一个经典黑客存在的情况下进行的，这个黑客持有输出随机性的任意经典边信息，但不与所使用的量子设备有任何纠缠，”张说
“未来，我们希望增强输出随机位的安全性，以抵御与我们的量子设备完全纠缠在一起的更强大的量子黑客
"
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