山西大學(xué)光電研究所、量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的蘇曉龍教授研究組和北京大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所何瓊毅教授研究組合作，基于2公里光纖信道分發(fā)的連續(xù)變量量子導(dǎo)引，實(shí)現(xiàn)了單方設(shè)備無關(guān)的隨機(jī)性驗(yàn)證和量子隨機(jī)數(shù)高效提取。該成果發(fā)表以“One-sided device-independent random number generation through fiber channels”為題于2025年1月3日發(fā)表于Light: Science & Applications。

作為真隨機(jī)數(shù)的一個(gè)典型代表，基于量子過程產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)因在量子力學(xué)的框架下測量結(jié)果存在著天然的隨機(jī)性而備受關(guān)注。然而，量子隨機(jī)數(shù)的可靠性高度依賴于系統(tǒng)設(shè)備的精確表征；設(shè)備的任何偏差可能導(dǎo)致竊聽者利用設(shè)備缺陷危及隨機(jī)數(shù)的安全性。針對(duì)這一問題，相繼發(fā)展了器件無關(guān)和半器件無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，以保障隨機(jī)數(shù)的安全。量子導(dǎo)引是一種具有方向性與非對(duì)稱性的特殊糾纏形式，由于不需要對(duì)導(dǎo)引方的系統(tǒng)及測量進(jìn)行刻畫，能夠在單方設(shè)備無關(guān)的場景下驗(yàn)證用戶間共享糾纏態(tài)，從而降低對(duì)用戶設(shè)備的依賴。在實(shí)際場景中，并非所有用戶都有能力制備所需的量子資源，特別是在遠(yuǎn)端且不可信的用戶。因此，將遠(yuǎn)端用戶作為導(dǎo)引方，建立由遠(yuǎn)端量子態(tài)到本地可信用戶持有量子態(tài)的量子導(dǎo)引，可以保證由遠(yuǎn)端用戶測量結(jié)果提取的隨機(jī)數(shù)不再依賴其設(shè)備，實(shí)現(xiàn)單方設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生。

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單方設(shè)備無關(guān)隨機(jī)性驗(yàn)證和量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生

研究團(tuán)隊(duì)成功跨越2公里光纖鏈路，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)變量量子導(dǎo)引的高效分發(fā)；隨后利用本地可信節(jié)點(diǎn)持有的量子態(tài)，驗(yàn)證了遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)不可信用戶的測量結(jié)果具有量子隨機(jī)性；進(jìn)一步以高達(dá)7.06 Mbits/s的速率提取了隨機(jī)數(shù)。實(shí)驗(yàn)原理如圖a所示。實(shí)驗(yàn)采用Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）糾纏態(tài)光場為量子資源，其中一個(gè)模式保留在本地可信用戶Alice處，另一個(gè)模式經(jīng)過光纖信道傳輸給遠(yuǎn)端的不可信用戶Bob。單方設(shè)備無關(guān)隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生具體包含三個(gè)步驟。（1）量子導(dǎo)引驗(yàn)證。由Alice和Bob分別通過平衡零拍探測系統(tǒng)測量EPR糾纏態(tài)光場的協(xié)方差矩陣，驗(yàn)證Bob端的量子態(tài)可以導(dǎo)引Alice的量子態(tài)，并量化其所具備的量子導(dǎo)引能力[圖b]。（2）隨機(jī)性驗(yàn)證。由于Alice位于本地，其設(shè)備及測量可信，根據(jù)Bob所執(zhí)行的多種測量及得到的結(jié)果，她可以得到不同的條件態(tài)。通過刻畫這些條件態(tài)或計(jì)算聯(lián)合概率分布，Alice進(jìn)一步度量Bob測量結(jié)果中量子隨機(jī)性的大小[圖c]。（3）Bob端隨機(jī)數(shù)提取。一旦Alice確認(rèn)Bob端的測量結(jié)果蘊(yùn)含非零的量子隨機(jī)性時(shí)，Bob則再次執(zhí)行平衡零拍探測，并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行粗�；�處理，進(jìn)而高效提取隨機(jī)數(shù)。

該工作基于量子導(dǎo)引這一特殊量子關(guān)聯(lián)，在無需預(yù)設(shè)導(dǎo)引端設(shè)備安全性的條件下驗(yàn)證了隨機(jī)性，從而確保了生成的隨機(jī)數(shù)擺脫了對(duì)遠(yuǎn)端用戶設(shè)備及器件的依賴性，為實(shí)現(xiàn)半器件無關(guān)的量子隨機(jī)數(shù)制備提供了一種可行途徑。研究成果展現(xiàn)了量子導(dǎo)引在單方設(shè)備無關(guān)量子隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生方面的重要應(yīng)用，在量子安全通信和量子網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的具有潛在應(yīng)用前景。

論文第一作者為山西大學(xué)博士生張錦芳和北京大學(xué)博士生李逸，通訊作者為山西大學(xué)蘇曉龍教授和北京大學(xué)項(xiàng)玉博士（現(xiàn)為西安交通大學(xué)教授）。該工作得到國家自然科學(xué)基金、科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金、量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01641-9