物理学家首次实现“完美随机性”

参考消息网报道 据美国趣味科学网站6月2日报道，苏黎世联邦理工学院的研究人员展示了一种利用纠缠超导量子比特生成“完美随机性”的方法。

生成真正的随机性极其困难。即使是最精密的传统随机数生成器也可能带有微小的偏倚。虽然在大多数日常应用中这些偏倚无害，但在密码学领域(加密系统的安全性依赖于不可预测性)，即使最细微的规律也可能成为可被利用的漏洞。

由苏黎世联邦理工学院物理学教授雷纳托·伦纳和安德烈亚斯·瓦尔拉夫领导的团队表示，他们已经展示了如何克服这一缺陷，并利用量子物理学生成完全随机的数字。他们将这一成果描述为完美随机性的首次认证实现。

传统的随机数生成器通常依赖于光子行为等物理过程，但这些系统仍可能出现结果偏移，表现出某种偏倚，导致某些数字出现的频率高于其他数字。该团队的方法利用量子纠缠让随机性突破这一局限。

该研究围绕两个被冷却至接近绝对零度的超导芯片展开。每个芯片充当一个量子比特，即二进制比特的量子等效物。两个芯片通过一根30米长的同样被超低温冷却的管道连接，使微波光子能够在两者之间穿梭并产生纠缠。这是一种“诡异”的量子态，两个粒子可以变得相互关联，测量其中一个会瞬间影响另一个。

通过将两个量子比特保持在这个距离，研究人员确保在测量过程中，即使是光速传播的信号在量子比特之间的传递也不足以快到影响结果。用量子物理学的术语来说，这有助于保持纠缠的完整性，并防止不必要的通信破坏随机性。

研究团队首先使用一个不完美的随机数生成器来选择量子比特的测量基。在量子测量之后，他们使用一种特殊算法来放大结果中的随机性。其核心思想在于，量子系统可以清除输入中的偏倚，产生一个可认证随机的“0”和“1”输出序列。这意味着其随机性不仅仅是基于标准统计测试的假设或推断。

伦纳通过电子邮件告诉趣味科学网站说，该方法还显著降低了计算成本。

伦纳说：“我们的方法实际上不需要计算。因为所有随机性都是通过测量量子比特产生的。从这个意义上说，我们的方法的计算成本与伪随机数生成器相比可以忽略不计。”

研究人员认为，无论未来采用何种手段验证，这个方法输出的随机数都完美适用于各类实际应用与理论分析场景。

这个方法的实际意义十分重大。这个团队将这一进展比作计时领域的原子钟：一个其他系统可以依赖的物理上可靠的基准。未来的潜在应用包括信息加密、数字身份、彩票系统和区块链运算。

伦纳表示，他们的研究在网络架构中用处最大。“我们的研究在各类网络架构中最有用处，每个网络节点可通过访问使用本技术的‘服务器’以产生随机性。”（编译/郭骏）