量子计算机首度突破！实验证明量子设备当下具备实用价值，7万+真随机数诞生，全球密码学即将颠覆！

引言

你是否想过，互联网上的“随机数”可能并不随机？从加密通信到电子抽奖，真正的随机数是数字世界的基石。然而，经典计算机生成的随机数本质上是“伪随机”，存在被预测的风险。近日，摩根大通全球应用研究部的Marco Pistoia等科研团队，与Quantinuum量子计算公司、美国能源部国家实验室以及顶尖学术大学（包括芝加哥大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、国立台湾大学等）紧密合作，共同设计并实施了一项创新的量子协议。他们利用全球首台56量子比特离子阱量子计算机，成功生成了高达71,313位的可认证真随机数！这一突破性成果在《Nature》杂志上发表，标志着量子计算从理论迈向实际应用的关键一步！

第一章 为何需要“真随机数”？经典计算机的致命缺陷  

传统随机数依赖算法生成，本质是“伪随机”。即便使用物理噪声源（如电子热噪声），仍需信任硬件厂商。而认证随机数要求第三方无法预测或篡改，这对金融交易、军事加密、区块链等场景至关重要。量子力学的天然随机性提供了终极解决方案：量子测量结果的随机性由物理定律保证，无法被经典计算模拟。但问题来了——如何让用户远程验证量子设备的输出是真随机？ 

这即是该实验的核心目标：在不可信的量子服务器上，生成可验证的高熵随机数！

第二章 量子计算机与超算，双剑合璧破难题 

该实验的核心策略是“以子之矛，攻子之盾”——用量子计算机生成随机数，再用经典超算验证其不可模拟性。  

图1 方案概述。

1. 随机电路挑战：量子霸权的利刃 

量子服务器需在极短时间内（单次约2.2秒）执行客户端的“挑战电路”。每个电路包含10层随机量子门（SU(2)单比特门+ZZ两比特纠缠门），拓扑结构通过随机图边着色生成，确保经典模拟复杂度爆炸。  

关键指标：模拟一次电路需前沿超算（Frontier）100秒，而量子计算机仅需2秒！  

2. 交叉熵基准（XEB）：量子指纹检测仪  

客户端随机抽取部分结果，计算XEB得分：  

理想量子输出得分接近1，经典模拟或随机猜测得分趋近0。实验中测得XEB=0.32，显著高于阈值0.3，验证量子优势。  

3.超算军团：算力碾压  

调用Frontier、Summit等四大超算，累计峰值算力达1.1×1018次浮点运算/秒，确保验证过程无懈可击。  

对抗模型：假设攻击者拥有4倍Frontier算力，仍无法在限定时间内伪造高XEB结果。  

图2 对抗模型和协议安全性。

第三章 结果亮剑：71,313位熵值，开启密码学新纪元  

认证熵值：71,313位（经Toeplitz提取器处理后输出71,273位），远超经典极限。  

速度突破：平均单次生成仅2.154秒，未来优化后可达512位/分钟。  

安全性：在ε=10-6的严格声学参数下，即使攻击者拥有4倍超算资源，仍无法欺骗系统。 

第四章 未来展望：从实验室到现实世界的量子革命 

尽管成果斐然，团队坦言当前限制：对抗模型较理想化，且需提升设备保真度（φ=0.3→目标0.67）。未来方向包括：  

硬件升级：提高量子门精度、缩短电路执行时间，实现“秒级万位随机数”。  

协议扩展：支持多方验证，用于区块链共识、公共彩票等场景。  

抗量子攻击：结合后量子密码学，构建新一代不可破解加密体系。  

更深远的意义：这是首个证明量子设备实用价值的实验，为量子计算商业化注入强心剂！

图3 未来的改进。

终章 结语：随机性的终极答案，属于量子时代

当经典计算机困于“伪随机”的枷锁，量子计算机以物理法则的不可预测性，开启了真随机的黄金时代。这项成果不仅是技术的胜利，更是对人类信任机制的重构——在不可信的世界中，如何用数学与物理铸造信任？

参考文献：

DOI:10.1038/s41586-025-08737-1

撰稿｜王一毅

指导丨刘玉龙