如何使用手機產生量子隨機亂數？

如何使用手機產生量子隨機亂數？
國立臺灣大學應用物理研究所 劉伊修編譯/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

編譯來源：Physics World- “How to make a quantum random-number generator from a mobile phone” 

將會有可以產生隨機亂數的手機應用程式誕生(Courtesy: Marketa Michalkova)

20世紀末，微觀粒子的量子力學性質使得密碼學有新的突破，一些以前傳統密碼學未解的難題被一步一步的解開。其中一個廣為人知的就是量子金鑰傳輸(簡稱QKD)，它的問世使得用網路來傳送極機密的密碼同時又能保有很高的安全性成為可能。但是在使用這個方法時需要用到隨機產生的亂數的序列，也就是真的沒有規律可循的數列。以前使用電腦所產生的隨機亂數被稱做假隨機亂數，它們是如何產生的呢？

它們是有規律可循的超長週期函數製造的，因為週期很長，所以很難發現它們有規律，也就是傳統的方式產生的隨機亂數，只是看似沒規律而已。因此雖然使用古典方法的亂數產生器有些很優質，但是如果駭客得知你的電腦所用來產生隨機亂數的超長週期函數，和有關你的電腦的一切資訊，他很有可能能完全預測你的電腦所產生的假隨機亂數。換句話說，使用假隨機亂數的密碼系統在此情況下比較容易被破解。但是如果密碼系統使用真的隨機亂數，那麼就無法被預測下一刻會產生什麼數，所以安全性比較高。

然而我們要如何產生真正的隨機亂數呢？微觀粒子的量子力學方程式實際上只能提供我們粒子被測量後結果的機率分佈，完全無法在測量前預測結果。利用此性質，可以說測量的動作產生一個隨機的結果，若把每一個結果對應到不同的一個數字，我們就可得到真正的不可預知的隨機亂數。由上所述，真正的隨機亂數可以用測量真正的隨機分佈的物理系統而被製造，例如測量原子核的輻射性衰變或電子電路中的雜訊。然而現有的測量技術不是非常昂貴就是太慢而不實用，舉例而言，要保護你的手機通訊的安全需要 $$1~\mathrm{Kbit/s}$$ 的隨機亂數製造率。

現在，產生真正的隨機亂數有機會可以使用手機就能達成，也許很快將會有產生真隨機亂數的app程式。瑞士日內瓦大學的Bruno Sanguinetti和他的同事Anthony Martin, Hugo Zbinden, 和Nicolas Gisin製造了低成本的量子隨機亂數產生器(QRNG)。

Bruno Sanguinetti和他的同事使用Nokia N9的智慧型手機中的8M畫素的相機，來製造可以 $$1.25~\mathrm{Gbit/s}$$ 的速率產生隨機亂數的裝置。這系統是利用相機畫素非常敏感而能計算光子量的特性。光子是由傳統的發光二極體因電子和電洞的的結合而產生，這是一種用量子力學描述的過程，因此在固定的時距內產生的光子的數量是一個隨機亂數。相機和發光二極體會被調整到一個短的曝光時間內而約接收 $$400$$ 個光子的程度，相機的所有畫素所量的光子數會在一個叫”extractor”的演算法中被結合而輸出一連串的隨機亂數。

Sanguinetti告訴physicsworld所有他使用的元件都可集中到一個小的晶片上，價格低廉而且可以很容易放到可攜式如手機的電子裝置。他表示：「如果有某種人人皆會很快使用到的量子科技，那就是它了！」Sanguinetti也為一個叫ID Quantique的科技公司工作，他說這公司正在使他們所設計的量子隨機亂數產生器商業化。

英國Bristol大學的Anthony Laing說道這技術是一個很棒的方法。Laing相信這技術可以適用在密碼系統，而它原則上將是不可破解的，他表示：「在量子金鑰傳輸中，通訊的雙方必須慎選方法產生隨機亂數來做隨機的測量，量子隨機亂數產生器正是相關的關鍵技術。」