17、量子技术下的随机数与密码学应用

量子技术下的随机数与密码学应用

1. 量子随机数生成器（QRNG）

在量子世界里，存在着一些可能干扰测量结果的因素，就好像有小妖怪坐在信号源和探测器旁，用手机交流测量结果，从而扰乱整个系统。为了解决这个问题，我们可以将探测器放置得彼此以及与信号源都相距很远。这样一来，如果真有小妖怪，它们要交流就必须超光速，而这是不可能的。

除了这种物理上的隔离方法，我们还结合了贝尔测试以及量子态的特性。例如，态 (|H\rangle_{Alice}|V\rangle_{Bob} - |V\rangle_{Alice}|H\rangle_{Bob} = |+\rangle_{Alice}|-\rangle_{Bob} - |-\rangle_{Alice}|+\rangle_{Bob}) 在 H - V 或 ±45° 方向上同时处于最大纠缠态。Alice 和 Bob 可以随机在 H - V 测量和 ±45° 测量（或其他角度测量）之间切换。只要操作足够快，小妖怪就无法干扰系统，除非它们有超光速的通信设备。

基于量子理论和爱因斯坦的相对论，通过这些检查和平衡机制产生的数字是可证明随机的。如果这个方案失败，那么这两个理论中至少有一个是错误的。

总之，量子随机数生成器（QRNG）能够产生真正的随机数，这些随机数可用于博彩业、宇宙学研究和密码学领域。这些数字不仅可证明是随机的，而且可证明是防篡改的。

2. 密码学概述

密码学中有多种量子密码协议，这里主要介绍两种日常使用的协议：
- BB84 协议 ：由 Bennett 和 Brassard 在 1984 年发明。它使用了量子技术的前两个要素，但不涉及量子纠