近日，beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、“極端光學創新研究團隊”何瓊毅教授、項玉特聘副研究員與合作者首次提出了多用戶量子網絡中半器件無關的随機數制備方案，該方案具有普适性，适用于任意維度的系統；并證明了多體量子導引隻有在選取兩測量時才是産生随機數的充分必要條件，揭示了量子随機性産生的物理本質。2024年2月21日，相關研究成果以“任意維度系統中基于多體量子導引的随機性驗證”（Randomness Certification from Multipartite Quantum Steering for Arbitrary Dimensional Systems）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

随機數是一種重要的基礎資源，在量子安全通信和基礎科學研究中扮演着至關重要的角色。例如，在量子密鑰分發中，随機數用于選擇基矢進行測量。盡管經典計算機通過确定性的算法能夠快速生成随機數，這些随機數由于其固有的周期性和可預測性，被視為“僞随機數”。相比之下，量子力學的玻恩定則保證了測量過程的概率性，能夠依據測量結果産生具有内禀随機性的“真随機數”，這樣的生成機制為量子通信等量子信息處理技術提供了更高的安全性。同時，量子糾纏作為量子物理區别于經典理論的一個顯著特征，可以用來保障制備得到的真随機數不被攻擊者準确地預測。作為一種特殊的糾纏形式，量子導引由于其具有方向性和不對稱性，近年來成為該領域的研究焦點。人們發現利用量子導引可以在半器件無關的場景下驗證随機性，然而已有的理論及實驗研究都局限在兩體系統。面向構建量子網絡的實際需求，多體高維量子糾纏态在保障信息安全、提升信道容量、增強測量精度等方面已經展現出獨特優勢。如何在多用戶量子系統中實現随機數的安全制備成為亟待解決的關鍵科學問題。此外，為了明确産生量子随機性所需的最少量子資源，各類量子糾纏與随機性的内在聯系也亟待澄清。特别是多體量子系統中存在各種不同結構的量子糾纏，究竟哪種類型的糾纏資源是産生随機性的充分必要條件需要明确。

針對上述問題，課題組與山東大學于曉東教授、德國錫根大學Otfried Gühne教授研究組合作，提出了多用戶量子網絡中半器件無關的随機數制備方案。該方案适用于包含離散變量與連續變量系統在内的任意編碼維度的量子系統。如圖1左所示，當網絡内分發多體量子導引時，用戶可以聯合多個導引方（黑盒子）的測量結果共同産生随機性。通過精确度量可提取的随機性大小，研究團隊分别在離散變量編碼的多光子糾纏态及連續變量編碼的線性光學糾纏網絡（圖1右）中，展示了多體量子系統可以比已有兩體系統産生更高、更安全的随機性。特别是在某些參數區間内，攻擊者能夠準确地預測單個量子态的測量結果，從而無法從測量結果中提取随機數。然而，攻擊者無法同時準确地預測兩個量子态的測量結果，這意味着可以根據它們測量結果的組合有效地提取随機數。

圖1. 左：多用戶間共享的量子導引态可以實現半器件無關的随機數提取，其中深色盒子表示器件無關。右：由線性光學網絡制備的多體量子導引态中，Bob與Charlie聯合測量結果可産生更高的随機數。并且在某些區域，僅使用Bob或Charlie的測量結果無法提取随機數。

量子糾纏和量子随機性均為量子世界的内禀屬性。為了明确産生随機數所需的最少量子資源，也為了澄清随機性與量子糾纏之間的深層聯系。研究團隊進一步證實，多體量子導引隻有在導引方選取兩測量時，才是産生随機數的必要且充分條件。然而，當導引方選取多個測量時，這一充分性在不再成立，即，存在一些量子系統，盡管在多測量時具有量子導引，卻無法被用于半器件無關的随機數制備。這一發現不僅解答了人們長期以來對量子關聯與随機性之間關系的疑問，更深入地揭示了量子随機性産生的物理本質。上述研究成果不僅加深了我們對量子力學基本原理的理解，也為未來量子網絡中的随機數産生及應用提供了理論基礎與物理支持。

beat365官方网站2021級博士生李逸為研究論文第一作者，項玉為該論文的通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金委、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心、北京量子信息研究院、極端光學協同創新中心、合肥量子國家實驗室等的支持。

論文原文鍊接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.080201