随机性是众多领域中至关重要的一种资源；如何生成既满足统计学特性要求、又符合隐私保护标准的随机性，是一个亟待解决的关键性难题。我校网络空间安全学院王荣博士等提出了新型半设备无关量子随机数生成协议，实现兼顾高容错与高速率的真随机数发生器，为商用量子随机数扩展提供解决方案。相关论文以“Certified quantum randomness within purity constraints”为题，5月29日发表在国际权威学术期刊《Science Advances》。
随机数是密码学、科学模拟和博彩等领域的基础资源。与依赖算法的伪随机数不同，量子随机数发生器（QRNG）利用量子力学内在的随机性，理论上可生成不可预测的真随机数。然而，实际设备存在各种不完美和潜在侧信道，攻击者可能利用这些漏洞预测输出，威胁信息安全。理想的“设备无关”QRNG能抵御所有设备缺陷，但需要复杂的贝尔测试和极低的生成速率，难以实用。而现有的“半设备无关”方案往往需要部分设备被完美表征，或无法对抗量子层面的攻击。针对上述挑战，研究团队提出了一种全新的半设备无关QRNG协议。其核心思想是：利用三种量子态之间自然满足的纯度高低关系（制备态纯度高于两个测试态），并结合测量设备固有的不确定性，推导出一个可用于估计随机数的隐式不确定关系，如图1所示。该协议只需观测三个量子态在测量设备上的响应期望值，即可实时监控并下界真实可提取的随机性，而无需知道光源和测量设备的具体内部参数。即使测量设备受到量子攻击，协议依然安全。基于广义熵累积定理，将单轮安全性证明严格推广至多轮场景，实现了对最危险相干攻击的可组合安全性。在标准商用光纤系统上的实验表明，该协议具有很高的容错性，随机数生成速率可达数十千比特每秒，且随机数通过了美国国家标准与技术研究院的统计测试套件。
基于纯度约束的半设备无关QRNG协议框架
该项成果由我校、中国科学技术大学和香港大学合作完成。香港大学林幸博士为该文章的第一作者，我校网络空间安全学院王荣博士和中国科学技术大学银振强教授为共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金委和香港研究资助局等项目的大力支持。王荣博士是我校近年引进的优秀青年人才，该工作是我校在量子密码研究领域的重要合作成果，彰显了我校在该交叉学科研究领域的创新能力和水平。
《Science Advances》是国际顶级学术期刊《Science》（《科学》）杂志旗下子刊，是中科院一区TOP期刊，由世界上规模最大、历史最悠久的综合性科学组织之一的美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，简称AAAS）出版，最新影响因子为12.5。该期刊是具有国际顶尖水平的综合性学术期刊，涵盖了化学、生命科学、物理科学、工程学、环境科学、材料科学和医学等多个学术领域，且在各个领域都有非常高的学术认可度。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec2555
