中国科大郭光灿院士团队柳必恒研究组与北京大学物理学院何琼毅研究组合作，首次在多测量与多输出场景下实现了量子随机性的实验验证，并揭示了贝尔非局域性仅在两测量时是设备无关地制备随机数的充分必要条件。该成果于3月3日以“Randomness versus Nonlocality in Multiple-Input and Multiple-Output Quantum Scenario”为题发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。
随机数在信息安全、统计抽样和仿真等多个领域都扮演着不可或缺的角色，尤其在密码学、加密通信等高度安全的场景中，“真随机数”的产生至关重要。而量子理论中由玻恩规则保证的“真随机性”是一种内禀的不可预测现象，其本质迥异于经典系统中基于确定性算法的伪随机性。作为量子理论中玻恩规则所展现的一类典型现象，贝尔非局域性通过其与局域隐变量模型的冲突，为设备无关（device-independent, DI）的量子通信协议提供了坚实的理论基础。因此，利用贝尔非局域性制备随机数的方案不仅在理论上被广泛研究，相关实验进展也实现了设备无关的随机性验证及量子随机数的高效提取。
图1：贝尔非局域性和量子随机性验证之间的关系（该研究）
贝尔非局域性通常体现在量子系统对一系列贝尔不等式的违背。直觉上，人们可能会认为对贝尔不等式的违背越强，在系统中所能验证的DI随机性就越高。然而，研究团队在本工作中首次证明，并非所有的贝尔非局域性均可用于随机性认证，且与系统选取的测量个数有关。事实上，非局域性与随机性验证之间的等价关系仅在特定的场景中成立，例如用户仅使用两个测量。虽然多测量、多输出的量子场景在提高随机数产率和降低无漏洞贝尔测试所需的探测效率阈值等方面展现出明显优势，但是，随机性验证任务需要排除一类特定的测量兼容性结构。该机制约束了测量结果的概率分布，使得在某些场景下，只有当贝尔不等式的违背程度足够大时，系统才能够验证随机性。因此，贝尔非局域性与量子随机性的关系如图1所示。
图2：高保真度高维纠缠光子对装置图
实验上，研究团队基于1550nm光子的偏振和路径自由度进行编码，成功构建了高保真的高维纠缠光子对。通过比较两类常用的贝尔不等式，发现了其中一类Facet不等式在测量增加时反而无法验证随机性，而另一类Salavrakos-Augusiak-Tura-Wittek-Acín-Pironio (SATWAP)不等式的违背对随机性更敏感。采用具备4个测量和3个输出的SATWAP不等式，研究团队成功地在实验上实现了1.867±0.018 bit的随机性，充分展现了高维量子系统在量子随机数生成中的优势。
中国科大张超博士（现为丹麦技术大学博士后），北京大学博士研究生李逸和中国科大特任教授胡晓敏为论文共同第一作者。北京大学项玉特聘副研究员（现为西安交通大学教授）、何琼毅教授和中国科大柳必恒研究员为该论文的通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金委、量子科学与技术创新项目、北京市自然科学基金、安徽省自然科学基金、安徽省科技创新项目和中国科学技术大学等的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.090201
（中国科学院量子信息重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）
