量子计算机实现可认证随机数生成

美国Quantinuum团队在最新一期《自然》杂志上发表论文，报告了一项量子计算领域的重要突破：利用一台拥有56个量子比特的设备——Quantinuum System Model H2离子阱量子计算机，他们成功实现了经过认证的随机数生成。这项工作标志着量子计算机在解决现实世界问题方面迈出了关键一步，其能力超越了当前的传统超级计算机。

2024年，Quantinuum与摩根大通、谷歌等团队分别宣布在各自的量子计算机上完成了传统超级计算机无法实现的任务。然而，如何将这种能力转化为解决实际问题仍是一个挑战。此次通过使用随机电路采样（RCS）来生成经过认证的随机数，解决了这一难题。随机数是指利用量子力学原理产生的数字序列，这些数字具有真正的随机性，其在密码学、公平性和隐私等领域具有重要应用价值。

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研究团队首次利用一台56量子比特的量子计算机，通过实验展示了一种从量子计算机生成随机数的方法，然后使用经典超级计算机证明这些随机数是真正随机且新生成的。

然而，传统计算机难以产生真正的随机数，通常需要结合硬件随机数生成器使用，但这种方法存在被操控的风险。相比之下，新方法即使在量子计算机被对手控制的情况下，理论上也无法操纵输出并保持随机性的认证。团队通过互联网远程访问量子计算机，执行基于RCS的协议，该协议能生成比输入更为随机的结果。

整个过程分为两步：首先，向量子计算机输入复杂挑战，只有通过随机选择解决方案才能解决；其次，使用多台顶级超级计算机进行经典验证，确保随机性的不可模仿性。实验中，总共验证了71313位熵，验证速度达到了每秒1.1×10¹⁸次浮点运算（1.1 ExaFLOPS）。

这是首次通过实验表明，量子计算机能够生成真正的随机数，并由经典超级计算机验证这些数字确实为随机且新生成。这项工作不仅展示了量子硬件的进步，还对在统计抽样、数值模拟和密码学等领域有着重要意义。