研究人员在量子计算方面取得了重大突破：认证随机性，这是一个量子计算机生成真正随机数的过程，然后被经典超级计算机证明是真正随机的。

这一创新对密码学、公平性和安全性有着深远的影响，标志着量子优势从理论潜力向实际、现实世界应用的转变。

量子计算的里程碑揭晓

在《自然》杂志上发表的一项新研究中，来自JPMorganChase、Quantinuum、阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室和德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员报告了量子计算的一个重要里程碑，对密码学、数据隐私和公平性具有积极意义。

利用56量子位的量子计算机，该团队首次成功地展示了认证随机性。这个过程包括在量子计算机上生成随机数，然后使用经典的超级计算机来验证这些数字是否真的是随机的和新产生的。这一成就代表着将量子计算机用于目前经典系统无法完成的实际任务的具体一步。

突破背后的理论

认证随机协议最初是由UT Austin的计算机科学教授兼量子信息中心主任Scott Aaronson提出的。Aaronson和他的前博士后研究员Shih-Han Hung为实验论证提供了理论基础和分析支持。

“当我在2018年第一次提出我的认证随机协议时，我不知道我需要等多久才能看到它的实验演示，”Aaronson说。“在原始协议的基础上，实现它是使用量子计算机为实际加密应用生成认证随机比特的第一步。”

量子能力超越了经典极限

量子计算机的计算能力已被证明远远超过最强大的经典超级计算机。去年，来自Quantum和摩根大通（JPMorganChase）的一个团队以及谷歌的另一个团队分别宣布，他们在各自的量子计算机上完成了现有超级计算机无法完成的任务，这一壮举被称为量子霸权。然而，将这种能力转化为解决实际任务仍然是一个公开的挑战。

这一挑战现在已经通过利用随机电路采样（RCS）来产生经过认证的随机性来解决。对于密码学、公平性和隐私等领域的许多应用程序来说，随机性是必不可少的资源。

为什么真正的随机性很重要

传统计算机本身不能生成真正的随机数，因此它们通常与硬件随机数生成器结合使用。但攻击者可以征用随机数生成器，并利用它向计算机提供非完全随机的数字，从而使攻击者能够破解密码。使用这里描述的新方法，即使对手占领了量子计算机，理论上他们也不可能操纵输出并仍然被认证为随机。

协议如何运作

通过互联网远程访问56量子比特Quantinuum System Model H2捕获离子量子计算机，该团队生成了可证明的随机比特。具体来说，他们执行了一个基于RCS的经过认证的随机性扩展协议，该协议输出的随机性比输入的随机性更多。

该协议包括两个步骤。在第一步中，该团队反复向量子计算机提出必须快速解决的挑战，这些挑战即使是世界上最强大的经典超级计算机也无法快速解决，量子计算机只能通过随机选择许多可能的解决方案之一来解决。

第二步，使用经典的超级计算机对随机性进行数学验证。事实上，研究小组表明，经典方法无法模仿随机性。该团队使用多台领袖级超级计算机的经典认证，其综合持续性能为每秒1.1 x 1018次浮点运算（1.1 ExaFLOPS），认证了71313位熵。

现实世界密码学的量子解决方案

摩根大通全球技术应用研究和杰出工程师主管Marco Pistoia表示：“这项工作标志着量子计算的一个重要里程碑，展示了使用量子计算机超越当今经典超级计算机能力来解决现实世界挑战的解决方案。”“这种认证随机性的发展不仅显示了量子硬件的进步，而且对进一步的研究、统计抽样、数值模拟和密码学都至关重要。”

硬件升级推动了这一突破

2024年6月，Quantum公司将其System Model H2量子计算机升级为56个捕获离子量子比特，并与摩根大通全球技术应用研究团队合作，使用该系统执行RCS，这是一项最初旨在展示量子优势的任务。由于其高保真度和全对全量子比特连接，H2在现有工业技术的基础上提高了100倍，从而得出结论，该结果无法在任何现有的经典计算机上获得。这一升级与Aaronson的方案相结合，导致了现在在《自然》杂志上描述的突破。

迈向实用量子安全

“今天，我们庆祝一个关键的里程碑，它将量子计算牢牢地带入了实际的、现实世界的应用领域，”量子公司总裁兼首席执行官Rajeeb Hazra博士说。“我们对认证量子随机性的应用不仅展示了我们捕获离子技术无与伦比的性能，而且为提供强大的量子安全性和实现金融、制造业等行业的先进模拟设定了新标准。在Quantum，我们正在推动开创性的突破，以重新定义行业并释放量子计算的全部潜力。”

“量子计算的这些结果是由世界领先的美国能源部在橡树岭国家实验室、阿贡国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的计算设施实现的，”量子计算用户项目主任、量子科学中心主任特拉维斯·汉伯（Travis Humble）说。“这种开创性的努力推动了计算的前沿，并为量子计算和高性能计算的交叉提供了有价值的见解。”

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