科學家首度利用量子糾纏晶片產生「完美隨機數」，有望強化無人機通訊加密安全

量子糾纏首度實現「完美隨機數」生成

瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）研究團隊成功開發出一種利用量子物理學產生「完美」隨機數的方法，這項突破性成果有望大幅強化加密系統與數位安全工具，對於依賴安全通訊的無人機產業而言意義重大。

該團隊使用兩顆超導量子晶片（superconducting quantum chips），透過一條長達 30 公尺的冷卻管路連接。這套系統利用量子糾纏（quantum entanglement）現象——對一個量子位元（qubit）的測量會瞬間影響另一個遠端的量子位元——來產生經認證的隨機數。

為什麼「完美隨機」如此重要？

隨機數對於加密、數位身份驗證、區塊鏈系統及安全通訊等技術至關重要。然而，即使是現代的隨機數產生器（RNG），仍可能存在微小的偏差，使某些數字出現的頻率略高於其他數字。

在大多數應用場景中，這些微小的不完美可以忽略不計。但在密碼學領域，即使是最輕微的偏差也可能產生漏洞，讓攻擊者有機可乘。這對於無人機的遠端識別（Remote ID）、超視距飛行（BVLOS）資料傳輸，以及無人機群控制系統的加密安全，都是潛在的風險。

追求完美隨機性

「這聽起來或許奇怪，但要製造一枚完美的硬幣或一顆完美的骰子，幾乎是不可能的，」ETH Zurich 物理學系教授 Renato Renner 表示。

「無論骰子做得多麼對稱、多麼光滑，擲出後某一面朝上的機率總是會略高一些。」

研究人員指出，即使是基於光子與分光鏡的量子隨機數產生器，也無法完全排除系統性誤差或偏差。為了解決這個問題，ETH Zurich 團隊開發了一種稱為「隨機性放大」（randomness amplification）的技術流程，能將不完美的隨機性轉化為經認證的完美隨機性。

實驗核心：貝爾測試

這項實驗依賴「貝爾測試」（Bell test），這是量子物理學中用於驗證粒子糾纏的經典方法。研究人員使用兩個冷卻至接近絕對零度的量子位元，透過在晶片之間傳輸的微波光子進行連結。

「這得益於一項改良的貝爾測試，同時具備高品質與高數據速率，」該計畫另一位主要研究員 Andreas Wallraff 表示。

兩顆量子位元之間 30 公尺的間距扮演了關鍵角色。研究人員解釋，這段距離確保在測量過程中，即使以光速傳播，也沒有任何資訊能在晶片之間傳遞，從而防止對隨機性造成干擾。

量子晶片達成關鍵里程碑

團隊刻意使用一個不完美的隨機數產生器來選擇測量設定，接著再應用一套專門的演算法來放大測量結果的隨機性。

「由此產生的零與一序列，現在是真正完美隨機的，而且我們甚至可以加以認證，」Renner 表示。

他將這項成就比喻為跨越了一道重大技術門檻：「技術上的改進讓我們首次能夠創造出永恆完美隨機的隨機數——無論使用何種分析方法來評估其隨機性。」

未來應用前景

研究人員認為，這項技術未來可作為安全數位系統的可信隨機數來源，就如同原子鐘為全球提供經認證的計時標準一樣。

這項研究也可能支援未來量子安全通訊網路的發展。在這類網路中，強大的加密極度依賴高品質的隨機數。對無人機產業而言，這意味著未來的無人機通訊、飛控指令傳輸與感測資料回傳，都可能受惠於更堅不可摧的加密技術。

本研究已發表於國際頂尖學術期刊《Nature》。

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