22、量子密码学：随机数生成、哈希与签名的新领域

量子密码学：随机数生成、哈希与签名的新领域

1. 量子随机数生成器（QRNGs）

1.1 基本概念

在传统计算机上，若不借助量子设备，很难生成真正不可预测且可证明随机的数字。而量子随机数生成器（QRNGs）正是基于量子特性的设备，能够生成真正可证明的随机数。自 2001 年起，就已经有多个实际应用的 QRNGs 出现，在此之前也有相关的研究论文。目前，有许多大规模生产的 QRNGs 实例，它们是最常见的量子设备。

QRNGs 利用量子的叠加、纠缠和不确定性等特性来生成随机数。量子特性在被测量之前可以处于所有可能的状态，而且无法提前预测某个特定特性会呈现出什么值，这些特性正是生成真正随机数的基础。大多数 QRNG 设备以某种方式利用光子的量子特性作为主要来源。

1.2 贝尔不等式定理

自量子物理学被发现以来，物理学家和密码学家一直担心他们所观察到的量子特性是否真的是量子行为，还是可以用经典理论解释的其他现象。20 世纪 30 年代，爱因斯坦等物理学家提出了局域隐变量理论，认为可能存在一些目前未知且无法解释的经典局域隐变量，导致了科学家们所观察到的所谓量子行为。

为了说明局域隐变量理论，这里有一个有趣的比喻：假设有一群生活在寒冷气候中的人，他们的手总是比周围环境和身体其他部位莫名地温暖两度。科学家们假设这些人的手部周围存在一种“微气候”，使得手部周围的天气总是比身体其他部位暖和，但无法解释原因。后来发现，原来这些人一直在从口袋里拿出手套保暖，这并不是什么新奇的现象，而是一个简单的原因。这个例子体现了物理学家担心在现有经典理论中错误解释所观察到的现象，过早地将无法解释的行为归结为量子行为。

爱因斯坦