【量子密碼】亂數試金石

。到底要亂到什麼程度才是真正的「亂數」？我們現在電腦運算中的亂數並不真的隨機，仍有規律存在，所以可以被破解。物理學家借用量子理論，以產生真正的亂數…但速度稍慢一點，目前還無法量產。?
編譯 ∣ 廖大賢

　　亂數的隨機總有程度之別。物理學家以前沒有辦法產出「真正的」亂數，加密科技因而顯得脆弱。但現在他們首次提出了能驗證的亂數，將因此提高密碼的安全性。

　　虛擬亂數（pseudo-random numbers）常使用在網路上加密訊息時。這樣的數列看似隨機，但是巴塞隆納光子研究所的物理學家安東尼奧．阿西歐（Antonio Acín）表示，如果電腦運算法遭到破解，就可以取得這些數列。

　　因此，許多研究團隊都在努力找出量子系統的真亂數。以量子力學而言，要預測單一量子的路徑是不可能的。因此利用光子對撞路徑來產生的二位元數，理論上就能達成真正的隨機。然而，阿西歐說實際上也沒辦法確認這樣的二位元數是真正隨機的，因為儀器的誤差就能讓光子偏移。

　　阿西歐跟他的同事為了解決這個問題，發明出測試真正隨機的方法。他們的方法以物理學家約翰．貝爾（John Bell）的理論為基礎，他在60年代首次實驗了量子力學的本質。貝爾想要證實古典物理中「粒子糾結」（entangled particles）所造成的奇怪現象，因為粒子會彼此糾結，所以想測量某個粒子，就會立即影響到與它相連的粒子。貝爾計算出所有古典系統中兩粒子的最大相關極限。後來的實驗相繼證實了糾結粒子超出了這個極限，推翻了古典物理。

慢工出細活?

　　阿西歐跟同事證明了真正的隨機與突破極限的粒子糾結有直接的關係。他們使用了真亂數產生器，根據單一鐿離子（ytterbium ion）的量子測量來產生二位元數，而鐿離子的能量可高可低。為了證實真亂數，他們拿兩個糾結的鐿離子來測量能量，以此證實這兩個離子的關聯性大於貝爾的極限。阿西歐說：「推翻貝爾的極限代表著此技術達成了量子工程的真隨機。因此我們能以離子能量來產出真亂數。」他的研究團隊在四月十四號的《自然》雜誌上公布了他們產出的42個真亂數。

　　牛津大學的量子物理學家阿圖．厄科特（Artur Ekert）在1991年首次指出貝爾的理論可以用來產生真亂數，供量子加密技術之用。阿圖表示：「這個研究團隊的成就真是不簡單。」但他指出研究團隊只能將離子分開一公尺，若要應用在量子通訊上，則需要更大的距離。

　　北京大學的郭弘也同意真亂數的證明很重要。但他點出阿西歐的技術在一個月內只能產出42個真亂數。相較之下，郭弘與他的團隊利用雷射中光子的量子特性，一秒鐘就能產出超過500兆元數。但亂數在他們的實驗中並不重要。郭弘表示：「阿西歐的團隊下一步該做的就是簡化實驗，找出能實際應用的方法。」

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延伸閱讀：A truth test for randomness（Nature）、Quantum cryptography based on Bell’s theorem（APS Physics）

責任編輯：MissZoe
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