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随机数|随机数生成协议：让样本抽查更“科学”

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随机数|随机数生成协议：让样本抽查更“科学”
强大的激光脉冲聚焦到一个小型晶体中 ， 产生了纠缠光子对 。 随后 ， 纠缠光子对被发送到远程站点 。 在远程站点对它们的测量 ， 会产生随机比特 。
phys.org网站当地时间3月9日报道 ， 美国科罗拉多大学（CU）/美国国家标准技术研究所（NIST）和日本电信电话株式会社（NTT）的研究人员开发了一种随机数生成协议 。 该协议适配多种量子系统 ， 为开发更安全、更高效的随机数生成器奠定了基础 。
研究人员Lynden Krister Shalm说：“我们一直希望了解如何应用量子纠缠效应构建全新的随机数生成器 。 ”
此前 ， Shalm等人曾尝试利用量子纠缠的非局域特性 ， 以独立于设备的方式生成随机比特 。 系统的安全性主要取决于这样一个事实：黑客发送信息的速度无法超越光速 。
Shalm说：“我们设计的系统与依赖物理过程（如放射性衰变）或数学算法的常规随机数生成器有显著区别 。 ”
基于物理过程或数学算法的随机数生成器需要满足大量额外假设条件 。 为了使用量子纠缠产生高度安全的随机比特 ， 新系统必须消耗大量随机性 ， 而这将大大降低系统效率 。
“在2017年初访问CU/NIST时 ， 我很兴奋地得知 ， Shalm团队已经有能力完成设备无关的随机数生成 。 ”研究人员Yanbao Zhang说 ， “但这样的实验消耗了太多随机比特 ， 却只能产生少量高质量的认证随机比特 。 因此 ， 我们希望推动设备无关的随机扩展 ， 从而产生更多的认证输出比特 。 ”
为此 ， Zhang和Shalm等人设计了一种方法 ， 利用少量“种子随机性”来产生更多量子认证随机比特 。 这是新系统与其他随机数生成器的显著区别之一 。
Shalm说：“这与用种子晶体培育大型结构的方式很相似 。 借助新系统 ， 我们能够输出比输入多24%的随机比特 。 ”
原则上讲 ， 新系统能够以无限扩展输入种子随机性的方式运行 。 由于技术要求非常苛刻 ， 为了实现随机性扩展 ， 研究人员不得不将实验系统推向了当前的极限 。
为了将随机输入的种子扩展成与设备无关的随机比特 ， 研究人员必须对种子比特进行巧妙应用 。 系统通过特殊的“无漏洞贝尔测试”实现了这个目标 。
Shalm说：“与其对所有纠缠光子进行这种会消耗随机性的测试 ， 我们不如以随机方式‘抽查’部分光子 ， 以确保系统表现符合预期 。 这与食品行业的随机样本检测很类似 。 值得注意的是 ， 我们必须非常谨慎 ， 以确保抽查过程不存在漏洞 。 ”
Zhang补充：“以2000个番茄的品质检测为例 ， 常规协议需要消耗2000个有偏随机比特 ， 而新协议只消耗1000个均匀随机比特 。 在实践中 ， 均匀随机比特比有偏随机比特更易于从NIST随机信标中获得 。 因此 ， 抽查方案更加友好 。 ”
新成果还可能促进科学家对量子力学随机性的理解 。 Shalm说：“从更实际的角度来看 ， 我们的实验属于原始量子网络的实例 。 其中 ， 纠缠粒子是在严格条件下交换和操作的 ， 以完成其他经典（包括局域量子）系统无法完成的任务 。 新系统可以为各种需要使用随机样本资源的应用服务 ， 如挑选陪审员、协助随机审计选举系统甚至助力更公平的国会选区划定 。 有了新系统后 ， 主导选区划分的将成为量子力学 ， 而不是政客 。 现在 ， 我们正在努力让新系统具备成熟的服务能力 。 ”
科界原创
编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《自然?物理学》
期刊编号：1745-2473
原文链接：
https://phys.org/news/2021-03-device-independent-protocol-efficient-random.html
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