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如何确定生成的随机数,是真的随机?

时间: 2021年02月20日 | 作者: Bob Yirka | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
与我们所处的自然世界不同,量子世界中存在许多真随机事件,例如不可预测的光子行为。


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图片来源:CC0 Public Domain


撰文 | Bob Yirka 

翻译 | 张宇哲

审校 | 董子晨曦


许多年来,计算机科学家一直在寻找一种能够生成真随机数的方法。但由于硬件水平的限制,大多数家用和商用电脑中的随机数生成器远达不到“随机”的标准。生成随机数之所以重要,是因为它构成了密码学的基础。在计算力足够的前提下,黑客能够破解这些由伪随机数编码的信息。与我们所处的自然世界不同,量子世界中存在许多真随机事件,例如不可预测的光子行为。


来自英国、德国和俄罗斯的一支研究团队利用量子力学的不可预测性,制造了一部能够生成真随机数的装置。在发表于《物理评论快报》的论文中,他们描述了借助量子理论,开发了一款真随机数生成器。


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一种分束器,1:入射光;2: 50%透射光;3: 50%反射光。@ Tamasflex,wikimedia


该团队制造的装置由一个通用分束器组成,分束器一个输入端为激光,另一输入端则为空(即零信号)。随后,他们利用两个独立的探测器测量出射光束。在这套装置,每个到达分束器的光子被透射或被反射的概率相等,这意味着两个测量结果间的差值是不可预测的。因此,这一差值便是真“随机”的。


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随机数生成器结构简图,VATT:可变光学衰减器;PD:光电二极管(用作探测器);ADC:模数转换器;FPGA:现场可编程门阵列。图片来源于论文。


研究人员通过测量了光子在到达分束器之前的状态,进一步推进了这一研究。测量结果证实了由该设备产生的数据的确是随机的。最终,他们制造出的设备能够以每秒8.05千兆比特的速度生成随机数,且每组数据都证实是实时且随机的。值得一提的是,该设备使用的全部是现有的技术。


原文链接:

https://phys.org/news/2021-01-unpredictable-nature-quantum-mechanics-random.html