Quantum random-number generator with non-demolition measurements: semi-device-independent implementation
本文提出了一种半设备无关量子随机数生成器，该生成器利用具有量子非破坏性测量的三体系统，在同时认证真量子效应并生成近最大熵随机数的同时，消除了对类空分离的需求，并实现了实际的、可扩展的微型化。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
看不见的骰子的魔力
想象一下，你正试图制造一台能够掷出真正公平骰子的机器。在经典物理的世界里，如果你确切知道你投掷骰子的力度、桌子的角度以及空气阻力，你就能每次都预判结果。为了在普通计算机中获得“随机性”，我们必须依赖那些难以测量且混乱的变量，比如你敲击键盘的时机或处理器的热量。但这些并不是真正的随机，它们只是因为过于复杂而让我们无法计算。
量子力学——微观世界的规则手册——登场了。在这里，自然界有一个内置规则：有些事物在本质上是不可预测的。无论你对实验设置了解得多么透彻，你都无法在量子事件发生之前预知其结果。这正是创造完美随机数的“圣杯”，而这些随机数对于打造不可破解的秘密代码（密码学）和安全通信至关重要。
然而，问题在于：你如何确定你的机器确实在使用这些神奇的量子规则，而不是在玩某种狡猾的经典骗局？通常，科学家必须进行“贝尔测试”（Bell test），这需要将两个探测器放置在彼此遥远的地方——远到甚至连光都无法在足够短的时间内穿梭于两者之间以进行作弊。这使得设备变得庞大、昂贵，且无法缩小到你的手机或笔记本电脑中。一个重大的问题是：我们能否在不需要两个巨大的分离实验室的情况下，证明我们拥有量子机器并获取随机数？
单间里的量子赌场
在这篇论文中，物理学家保罗·索里纳斯（Paolo Solinas）和乔瓦尼·切西（Giovanni Chesi）提出了一种巧妙的新方法来构建量子随机数生成器（QRNG），从而解决了这个问题。他们不再需要两个相距甚远的探测器，而是使用一个由三个部分组成的紧凑型单系统：一个“演员”（量子系统）和两个“观察者”（探测器）。你可以把它想象成一场魔术表演，魔术师（量子系统）表演一个戏法，而两位不同的裁判在同一个舞台上观看，以验证魔术的真实性并收集结果。
该装置涉及一个三能级量子系统（我们的演员）和两个探测器。第一个探测器，我们称之为“裁判一”，其作用是认证魔术是否真实存在。第二个探测器，“裁判二”，则是实际产出随机数的那个。作者使用了一种称为“量子非破坏性测量”（QNDM）的技术。通俗地说，这就像是在不停止硬币旋转或不观察哪一面朝上的情况下，去感知硬币的“旋转”。你可以感知“自旋”（量子相位）而不破坏其状态，从而让系统继续演化。
这里的巧妙之处在于：裁判一寻找一种被称为“负性”（negativity）的特定量子魔力特征。在量子世界中，当路径相互干涉时（就像池塘中的波纹一样），它们会产生一种“拟概率”分布。有时，这种分布会跌破零点。在我们日常生活的世界里，概率不能为负（你不可能有 -50% 的降水概率）。但在这种量子模拟中，如果裁判一看到了这些负数，就证明了系统正在使用真正的量子叠加态，而非仅仅是某种经典的技巧。如果数值保持为正，那么这台机器就只是一台高级计算器。
与此同时，裁判二正忙于收集随机结果。由于系统处于量子叠加态，系统所经过的路径是一团模糊的可能性。当裁判二测量系统时，它会将这种模糊状态坍缩为一个特定的结果。作者表明，通过仔细调节系统，我们可以使这些结果呈现出近乎完美的均匀分布。这意味着生成的随机数是尽可能不可预测的，从而最大化了“熵”（一个表示真正随机性的专业术语）。
论文通过一个包含三能级系统和两个探测器（一个具有两级，一个具有三级）的具体模型展示了这一点。通过计算和模拟，他们证明了可以生成一组几乎是完美均匀的随机数序列。在他们的示例中，他们成功获得了一个分布，其随机性非常接近理论最大值，与完全均匀的序列相比，偏差仅约为 9.81%。同时，裁判一检测到的“负性”强度足以证明这一过程无疑是量子化的。
这种方法的令人兴奋之处在于，它消除了探测器必须相距甚远的限制。由于认证过程与生成过程在同一个紧凑的装置内同步进行，该设备可以实现小型化。理论上，你可以将其集成到芯片上。作者指出，这种“半设备无关”（semi-device-independent）的方法是迈向可扩展量子技术的重要一步，让我们无需依靠庞大的实验室来证明其有效性，就能拥有安全、高质量的随机数生成器。
简而言之，索里纳斯和切西设计了一个微型、自带检查功能的量子机器蓝图。它不仅在掷骰子，而且在掷骰子的同时，也在同一时刻证明了这些骰子是公平且符合量子力学的，而这一切都可以在你的手掌心中完成。
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