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山西大学在单方设备无关量子随机数方面取得重要进展 山西大学光电研究所、量子光学与光量子器件国家重点实验室的苏晓龙教授研究组和北京大学现代光学研究所何琼毅教授研究组合作，基于2公里光纤信道分发的连续变量量子导引，实现了单方设备无关的随机性验证和量子随机数高效提取。该成果发表以“One-sided device-independent random number generation through fiber channels”为题于2025年1月3日发表于Light: Science & Applications。 作为真随机数的一个典型代表，基于量子过程产生的随机数因在量子力学的框架下测量结果存在着天然的随机性而备受关注。然而，量子随机数的可靠性高度依赖于系统设备的精确表征；设备的任何偏差可能导致窃听者利用设备缺陷危及随机数的安全性。针对这一问题，相继发展了器件无关和半器件无关的量子随机数产生，以保障随机数的安全。量子导引是一种具有方向性与非对称性的特殊纠缠形式，由于不需要对导引方的系统及测量进行刻画，能够在单方设备无关的场景下验证用户间共享纠缠态，从而降低对用户设备的依赖。在实际场景中，并非所有用户都有能力制备所需的量子资源，特别是在远端且不可信的用户。因此，将远端用户作为导引方，建立由远端量子态到本地可信用户持有量子态的量子导引，可以保证由远端用户测量结果提取的随机数不再依赖其设备，实现单方设备无关量子随机数产生。  单方设备无关随机性验证和量子随机数产生 研究团队成功跨越2公里光纤链路，实现了连续变量量子导引的高效分发；随后利用本地可信节点持有的量子态，验证了远端节点不可信用户的测量结果具有量子随机性；进一步以高达7.06 Mbits/s的速率提取了随机数。实验原理如图a所示。实验采用Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）纠缠态光场为量子资源，其中一个模式保留在本地可信用户Alice处，另一个模式经过光纤信道传输给远端的不可信用户Bob。单方设备无关随机数的产生具体包含三个步骤。（1）量子导引验证。由Alice和Bob分别通过平衡零拍探测系统测量EPR纠缠态光场的协方差矩阵，验证Bob端的量子态可以导引Alice的量子态，并量化其所具备的量子导引能力[图b]。（2）随机性验证。由于Alice位于本地，其设备及测量可信，根据Bob所执行的多种测量及得到的结果，她可以得到不同的条件态。通过刻画这些条件态或计算联合概率分布，Alice进一步度量Bob测量结果中量子随机性的大小[图c]。（3）Bob端随机数提取。一旦Alice确认Bob端的测量结果蕴含非零的量子随机性时，Bob则再次执行平衡零拍探测，并对测量结果进行粗粒化处理，进而高效提取随机数。 该工作基于量子导引这一特殊量子关联，在无需预设导引端设备安全性的条件下验证了随机性，从而确保了生成的随机数摆脱了对远端用户设备及器件的依赖性，为实现半器件无关的量子随机数制备提供了一种可行途径。研究成果展现了量子导引在单方设备无关量子随机数产生方面的重要应用，在量子安全通信和量子网络领域的具有潜在应用前景。 论文第一作者为山西大学博士生张锦芳和北京大学博士生李逸，通讯作者为山西大学苏晓龙教授和北京大学项玉博士（现为西安交通大学教授）。该工作得到国家自然科学基金、科技创新2030重大项目、北京市自然科学基金、量子光学与光量子器件国家重点实验室、省部共建极端光学协同创新中心和山西省基础研究计划项目的支持。 分享到：
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