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量子随机数发生器获得重大突破

发布来源:互联网    发布时间:2021-01-22 21:49

量子随机数发生器获得重大突破(图1)

近日由NUST MISIS、量子中心、牛津大学、金史密斯大学、伦敦大学和柏林自由大学的科学家的量子随机数发生器能够8.05GB/秒的速率产生随机数,这使其成为同类中最快的随机数发生器。

该研究成果有望成为密码学和复杂建模的商业随机数发生器的起点。

利用光子的不可预测行为产生随机性

随机数生成(RNG)用于众多加密应用中,包括密码学、数值模拟、和游戏。随机数是强健而唯一的加密密钥的核心,这些密钥用于保护加密操作免遭。RNG还可以增强人工智能的性能。

众所周知,计算机难以生成真正的随机数,基于软件的算法实现的随机数生成器会产生看上去随机但确定性的数字序列,这带来了许多信息安全漏洞。

为了寻找真正的随机性,科学家们转向了量子力学。由于随机性是量子过程的基本属性,因此可以利用量子事件生成真正的随机数。

在实验中,研究人员利用光子固有的不可预测的行为来产生随机性。他们创建了带有内置认证协议的光发生器,以确保数字生成过程的随机性。

“量子事件允许生成数字,这些数字的随机性是根据基础物理过程确定的。基于量子的随机数发生器可以有非常广泛的应用。”量子中心研究小组负责人,NUST MISIS量子通信理论实验室负责人Alex Fedorov指出。

在他们的实验中,研究人员将来自“不受信任”光源的光发送到分束器的一个输入端,而另一个输入端是真空。使用两个单独的光学检测器测量一对输出光束。

由于撞击分束器的每个光子都有相等的机会被反射或透射,因此无法预测每个检测器记录的光子数量之间的差异。这是一个真正的随机数。

确认随机性是可靠的

为了确认设备产生的随机性是可靠的,研究人员进行了另一项测量,以确保光信号包含足够数量的光子。

如果光子数量不足,则可能发生的不可预测事件的数量将太少而无法确认所获得的随机性为真。如果光子输入数值太高,则两个检测器都将达到其最大值,从而使测量完全可预测。

新的RNG以8.05GB/秒的速率生成随机数,这使其成为有史以来最快的可安全组合的量子随机数生成器,并实时随机性认证。据研究人员称,该设备的速度明显快于现有的原型。

包括实时随机性认证和使用现成的组件来构建生成器,使得该技术适用于具有相当广泛应用的商业RNG。这种实用性水平,再加上高性能、高可靠性,使其适用于密码学、计算机研究、统计、科学研究等领域。

本文相关词条概念解析:

随机性

随机性(Randomness)是偶然性的一种形式,具有某一概率的事件集合中的各个事件所表现出来的不确定性。对于一个随机事件可以探讨其可能出现的概率,反映该事件发生的可能性的大小。

量子

量子(quantum)是现代物理的重要概念。最早是M普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位的整数倍。后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量、自旋、电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。量子一词来自拉丁语quantum,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念,指一个不可分割的基本个体。例如,“光的量子”是光的单位。而延伸出的量子力学、量子光学等更成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形物质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是特定的,而不是任意值。例如,在(休息状态的)原子中,电子的能量是可量子化的。这决定原子的稳定和一般问题。在20世纪的前半期,出现了新的概念。许多物理学家将量子力学视为了解和描述自然的的基本理论。在量子出现在世界上100多年间,经过普朗克,爱因斯坦,斯蒂芬霍金等科学家的不懈努力,已初步建立量子力学理论。

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