近日由NUST MISIS、俄羅斯量子中心、牛津大學(xué)、金史密斯大學(xué)、倫敦大學(xué)和柏林自由大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器能夠8.05GB/秒的速率產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，這使其成為同類中最快的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。
該研究成果有望成為開發(fā)密碼學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)建模的商業(yè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的起點(diǎn)。
利用光子的不可預(yù)測(cè)行為產(chǎn)生隨機(jī)性
隨機(jī)數(shù)生成（RNG）用于眾多加密應(yīng)用中，包括密碼學(xué)、數(shù)值模擬、賭博和游戲開發(fā)。隨機(jī)數(shù)是強(qiáng)健而唯一的加密密鑰的核心，這些密鑰用于保護(hù)加密操作免遭破壞。RNG還可以增強(qiáng)人工智能系統(tǒng)的性能。
眾所周知，計(jì)算機(jī)難以生成真正的隨機(jī)數(shù)，基于軟件的算法實(shí)現(xiàn)的隨機(jī)數(shù)生成器會(huì)產(chǎn)生看上去隨機(jī)但確定性的數(shù)字序列，這帶來了許多信息安全漏洞。
為了尋找真正的隨機(jī)性，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了量子力學(xué)。由于隨機(jī)性是量子過程的基本屬性，因此可以利用量子事件生成真正的隨機(jī)數(shù)。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用光子固有的不可預(yù)測(cè)的行為來產(chǎn)生隨機(jī)性。他們創(chuàng)建了帶有內(nèi)置認(rèn)證協(xié)議的光發(fā)生器，以確保數(shù)字生成過程的隨機(jī)性。
“量子事件允許生成數(shù)字，這些數(shù)字的隨機(jī)性是根據(jù)基礎(chǔ)物理過程確定的?；诹孔拥碾S機(jī)數(shù)發(fā)生器可以有非常廣泛的應(yīng)用。”俄羅斯量子中心研究小組負(fù)責(zé)人，NUST MISIS量子通信理論實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Alex Fedorov指出。
在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將來自“不受信任”光源的光發(fā)送到分束器的一個(gè)輸入端，而另一個(gè)輸入端是真空。然后使用兩個(gè)單獨(dú)的光學(xué)檢測(cè)器測(cè)量一對(duì)輸出光束。
由于撞擊分束器的每個(gè)光子都有相等的機(jī)會(huì)被反射或透射，因此無法預(yù)測(cè)每個(gè)檢測(cè)器記錄的光子數(shù)量之間的差異。這是一個(gè)真正的隨機(jī)數(shù)。
確認(rèn)隨機(jī)性是可靠的
為了確認(rèn)設(shè)備產(chǎn)生的隨機(jī)性是可靠的，研究人員進(jìn)行了另一項(xiàng)測(cè)量，以確保光信號(hào)包含足夠數(shù)量的光子。
如果光子數(shù)量不足，則可能發(fā)生的不可預(yù)測(cè)事件的數(shù)量將太少而無法確認(rèn)所獲得的隨機(jī)性為真。如果光子輸入數(shù)值太高，則兩個(gè)檢測(cè)器都將達(dá)到其最大值，從而使測(cè)量完全可預(yù)測(cè)。
新的RNG以8.05GB/秒的速率生成隨機(jī)數(shù)，這使其成為有史以來最快的可安全組合的量子隨機(jī)數(shù)生成器，并提供實(shí)時(shí)隨機(jī)性認(rèn)證。據(jù)研究人員稱，該設(shè)備的速度明顯快于現(xiàn)有的原型。
包括實(shí)時(shí)隨機(jī)性認(rèn)證和使用現(xiàn)成的組件來構(gòu)建生成器，使得該技術(shù)適用于具有相當(dāng)廣泛應(yīng)用的商業(yè)RNG。這種實(shí)用性水平，再加上高性能、高可靠性，使其適用于密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)研究、統(tǒng)計(jì)、科學(xué)研究等領(lǐng)域。
