美国学者实现可追溯验证的量子随机数生成协议
由科罗拉多年夜学博尔德分校以及美国国度尺度与技能研究院(NIST)主导的结合研究团队开发并演示了一种基于设备有关技能的、彻底可追溯的随机数天生和谈。该和谈经由过程不成预测的非定域量子联系关系提取随机性，并借助漫衍式的交叉哈希链，完成了整个提取历程正在暗码学意思上的验证与追踪。该研究不只完成了一个高保险性以及可托度的量子随机性办事，也标记着量子通讯和谈与新兴互联网技能的协同交融迈出了重要一步。该结果于6月11日颁发正在《天然》杂志。© Nature研究论文以《来自非定域量子上风的可追溯随机数(Traceable random numbers from a non-local quantum advantage)》为题颁发于《天然》杂志随机数天生器普遍使用于彩票、陪审团抽签以及临床实验分组等场景。“真实的随机数”是由正在任何前提下都无奈预测成果的历程所发生的。而很多所谓的“随机数”实在是伪随机数：它们由某种算法天生，只需输出不异，输入就彻底可反复。正在量子随机数天生器中，随机数的天生依赖于对某个量子体系（如光子）的丈量。量子体系可以被制备为丈量成果无奈预测的态，从而发生真正随机性。但无论是经典要领
由科罗拉多年夜学博尔德分校以及美国国度尺度与技能研究院(NIST)主导的结合研究团队开发并演示了一种基于设备有关技能的、彻底可追溯的随机数天生和谈。该和谈经由过程不成预测的非定域量子联系关系提取随机性，并借助漫衍式的交叉哈希链，完成了整个提取历程正在暗码学意思上的验证与追踪。该研究不只完成了一个高保险性以及可托度的量子随机性办事，也标记着量子通讯和谈与新兴互联网技能的协同交融迈出了重要一步。该结果于6月11日颁发正在《天然》杂志。
© Nature研究论文以《来自非定域量子上风的可追溯随机数(Traceable random numbers from a non-local quantum advantage)》为题颁发于《天然》杂志
随机数天生器普遍使用于彩票、陪审团抽签以及临床实验分组等场景。“真实的随机数”是由正在任何前提下都无奈预测成果的历程所发生的。而很多所谓的“随机数”实在是伪随机数：它们由某种算法天生，只需输出不异，输入就彻底可反复。
正在量子随机数天生器中，随机数的天生依赖于对某个量子体系（如光子）的丈量。量子体系可以被制备为丈量成果无奈预测的态，从而发生真正随机性。但无论是经典要领照旧量子要领，咱们都难以彻底信托其应用的器件以及天生历程。
一个更保险的解决方案是哄骗两光子处于纠缠态的性子。这象征着无论两光子相隔多远，只需它们同时被丈量，丈量成果之间就会浮现出无奈由经典物懂得释的统计联系关系，这类征象被称为贝尔非定域性。要是两个光子划分被送到餍足类空距离的彼此自力的观测方举行丈量，只需不超光速通讯的可能性，就无奈捏造贝尔非定域性试验成果。是以，基于此道理的随机数天生器可以被视为真正随机性的靠得住来历。然而，若现实的丈量时间被黑暗操控，仍有可能捏造试验成果。
一种基于量子物理的要领可以或许天生真正不成预测的数字序列。图片来历：Flavio Coelho/Getty
研究团队将量子随机数天生的高度保险性与一个经典和谈相联合，不只确保输入成果是真正随机的，并且使患上这一随机性是可验证的。正在该随机数天生和谈中，一对纠缠光子被发送到相距约110米的两个站点，它们的状况被同步丈量，成果被记载上去。这两个丈量的时间也划分记载正在自力的时间标志器中，用于解除没有餍足时间要求的成果，防止试验成果被捏造。
整个和谈漫衍正在彼此自力的三方之间。NIST位于科罗拉多州博尔德的试验室举行纠缠光子的制备与丈量，为和谈供给原始的熵源。正在该市的另外一处，科罗拉多年夜学博尔德分校（CU Boulder）卖力设定假定查验参数，验证光子之间的联系关系是否餍足贝尔非定域性的要求，并运转随机性提取器。
虽然贝尔非定域性试验的输入是不成预测的，但没有是匀称漫衍的，即某些成果可能比其余成果更可能产生。和谈中的第三方是一个名为漫衍式随机信标守护进程（DRAND）的内部经典随机数天生器，它为随机性提取器供给一个自力的种子。
具有漫衍式架构的可追溯量子随机数天生器。图片来历：Nature
为了避免肆意一方被攻破，该和谈的一切操作步骤都被记载正在称为哈希链的定时间挨次摆列的数据序列中。每一当某一方履行一次操作时，这一方就会天生包括该操作和其余各方以前操作步骤的数字指纹。要是有一方窜改其已发布的数据，其他各方可以经由过程检测链上记载的哈希值是否依然一致来发明这类窜改举动。
此外，每一一步的操作成果及其对应的哈希链城市被上传到公然的正在线记载中，从而许可任何人回溯整个和谈流程以验证其真实性。若进犯者但愿正在没有被发明的环境下节制随机数天生器的终极输入，就必需正在多个地舆位置同时窜改一切哈希链，这使患上该体系遭到进犯的难度相较于以往的方案年夜幅晋升。
研究团队不只是举行了一次前沿演示，并且让他们的体系曾经完成了全主动化，正在运转时可以或许每一分钟天生512位随机比特串。这些随机数，和谈各局部的履行记载，和用于审计验证的开源东西均已正在线公然。
不只云云，该和谈具备模块化布局，这象征着将来可以对局部组件举行进级。例如，哈希链可以采纳对量子计较机进犯保险的暗码和谈来完成，且跟着新技能的成长，和谈的保险性阐发也无望进一步晋升。今朝和谈的多个阶段由科罗拉多年夜学博尔德分校承当，这正在必定水平上减弱了其漫衍式保险架构的上风，是以将和谈调配给更多的自力实体来履行。
研究团队的结果代表了量子技能的一个冲动人心的里程碑：这是一个面向公家开放的办事，联合了量子机制中真正随机性的上风与可验证性，展示了相较现有技能的明确凿用上风。可追溯的量子随机性可以用于公允调配资本，正在当下这个信息杂乱的时代，至多咱们可以信赖随机性。
我国正在量子随机性研究居于世界当先职位地方，与美国处于划一程度。中国迷信技能年夜学研究团队和NIST于2018年划分同时初次实现器件有关量子随机数天生试验。此中，NIST的试验可进攻经典侧信道进犯，而中国科年夜的试验成果可抵御经典与量子侧信道进犯。2021年，中国科年夜与NIST又划分完成器件有关量子随机性扩大，完成天生随机性年夜于耗损随机性。2022年，中国科年夜团队以器件有关量子随机数发生器为熵源，联合后量子暗码认证，推出随机数信标大众办事，并使用于零常识证实范畴，消弭非交互式零常识证实中伪随机性的保险隐患。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09054-3
报导链接：
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